Trocadores de calor

Diego Adalberto, Felipe MascarenhasRenata Carvalho, Silmara Caldas.

Apresentação• 1 - Introdução• 2 - Fundamentação teórica• 2.1. Objetivo do trocador de calor• 2.2. Funcionamento• a) Pela mistura de fluidos• b) Com armazenagem intermediária• c) Através de uma parede que separa os fluidos• 2.3. Média logarítmica das diferenças de temperaturas• 3. Principais Tipos de Trocadores de Calor• 3.1. Trocadores tubulares• a) Trocadores de carcaça e tubo• b) Trocador tubo duplo• c) Trocador de calor em serpentina• 3.2. Trocadores de calor tipo placa• 4 - Aplicações na Indústria• 5 - Conclusão

1. Introdução

• Importância para a engenharia.• Usinas elétricas, processamento químico, aquecimento e

condicionamento de ar, além de aplicações domésticas.• Projetados para trocar calor entre fluidos e proporcionar

reaproveitamento da energia térmica: grande ferramenta de preservação do meio ambiente.

• Condução, convecção ou irradiação.

1. Introdução

• Transferência por condução: transferência de energia através de partículas que se tocam. Ex.: cabo da panela.

1. Introdução

• Transferência por convecção: surge a partir da movimentação dos fluidos. Quanto maior a movimentação, maior a transferência por convecção. Ex.: geladeira.

1. Introdução

• Transferência por irradiação: troca através de ondas eletromagnéticas emitidas por corpos em qualquer temperatura.

2. Fundamentação teórica

• Objetivo:

Realizar a troca térmica entre dois sistemas. Pode acontecer entre sistemas separados ou entre fluidos misturados.

Utilizado em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, recuperação de calor, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural e tratamento de águas residuais.

2. Fundamentação teórica

• Funcionamento:

a) Pela mistura de fluidos

Fluidos com temperaturas diferentes se misturam num único sistema: equilíbrio térmico.Quase sempre com transferência de massa.Taxa muito alta. Limitação: O contato precisa ser permissível.

2. Fundamentação teórica

2. Fundamentação teórica

• Funcionamento:

b) Com armazenagem intermediária

Ambos os fluidos percorrem alternadamente as mesmas passagens de troca de calor.A matriz absorve a temperatura do fluido primeiramente inserido e transmite para o que passa em seguida.Também pode ser chamado de regenerador.Ex.: Aquecedor e refrigerador.

2. Fundamentação teórica

c) Através de uma parede que separa os fluidos:•Nesse tipo de trocador de calor um fluído é separado do outro por uma parede, através da qual passa o calor;•As paredes geralmente são feitas de metais de alta condutibilidade térmica como: o cobre e o alumínio, ou ligas metálicas;•Este tipo compreende basicamente os recuperadores, além dos trocadores de calor com leito fluidizado. Eles podem ser classificados quanto à:

•Utilização: -Permutadores; Resfriadores ; Aquecedores; Condensadores; Evaporadores e Vaporizadores

• Construção:

- Trocadores tipo tubo duplo;- Trocadores tipo casco e tubo;- Trocadores de calor de placas;- Trocadores de calor com superfícies estendidas;- Trocador de calor de placas espiraladas;- Trocador de calor de lamelas;- Vasos encamisados;- Serpentinas;- Caixas resfriadoras; - Resfriadores tipo trombone;- Trocadores tipo baioneta;- Trocador de filme descendente;- Tubos de calor

O escoamento pode ser dado de duas formas:

• De modo geral, o escoamento em corrente cruzada é bastante aplicado em aquecimento de gases e sistemas de refrigeração.

2.3. Média logarítmica das diferenças de temperaturas:

• Um fluido dá um passe quando percorre uma vez o comprimento do trocado.

NP Vf = TC

Figura –Notação para designar o número de passes de cada fluido .

• Desvantagens: dificulta a construção e a limpeza, e encarece o trocador de calor.

.

Figura –Tipos de escoamento relativo dos fluidos do casco e dos tubos

Figura- Gráfico que representa a variação da temperatura de cada um dos fluidos ao longo do comprimento do trocador

FQ: tudo central

FF: entre o tubo central e a carcaça

As diferenças de temperatura entre os fluidos nas extremidades do trocador: •correntes paralelas :-( te - Te ) que é sempre máxima ( DT máx) e ( ts - Ts ) que é sempre mínima ( DT min ).•correntes opostas: -( te - Ts ) e ( ts - Te ) podem ser máxima ( DT máx ) ou mínima ( DT min ) dependendo das condições específicas de cada caso.

Para retratar a diferença média de temperatura entre os fluidos é usada então a Média Logarítmica das Diferenças de Temperatura (MLDT) :

3. Principais tipos de trocadores de calor

• 3.1 Trocadores tubulares

3. Principais tipos de trocadores de calor

• 3.1 Trocadores tubulares

São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante.

São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma ou duas fases).

Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar.

3. Principais tipos de trocadores de calor

a) Trocador de calor carcaça e tubos Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a

carcaça e os tubos.

Existe uma variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc.

Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes, etc.

Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais.

3. Principais tipos de trocadores de calor

a) Trocador de calor carcaça e tubos

3. Principais tipos de trocadores de calor

b) Trocador de calor tubo duplo

O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos.

Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de contrafluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida.

É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

3. Principais tipos de trocadores de calor

b) Trocador de calor tubo duplo

3. Principais tipos de trocadores de calor

c) Trocador de calor de serpentina

Este tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentinas (de tubos circulares) ordenadas em uma carcaça.

A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas.

As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática.

3. Principais tipos de trocadores de calor

c) Trocador de calor de serpentina

3.2 Trocadores de calor tipo placa

Dividem-se em três tipos:Placas planasPlacas espiraisPlacas delgadas

a) Placas Planas

Escoamento contra corrente Temperatura e pressão limitados Altos coeficientes de tranferência de calor Indústria alimentícia Leves e compactos Fácil manutenção

b) Placas EspiraisPlacas paralelas em forma espiralPressão e temperatura limitadosCompactoAlto custo

c) Placas Delgadas

Placas paralelas finasCanais longitudinais acomodados em um casco

4. Aplicações na indústria Torres de refrigeração de água Refrigeração em geral Recuperadores Condensadores Caldeiras

Conforto ambiental -> condicionadores de ar, aquecedores de água domésticos e de frigoríficos

Bebidas destiladas -> alambiques, chopeiras Motores de automóveis -> radiadores

Torres de refrigeração

Esquema de torre de refrigeração

As torres de refrigeração são utilizadas para o resfriamento de água para a indústria.

A água quente goteja da parte superior da torre e encontra uma corrente de ar em temperatura ambiente. O ar flui em corrente contrária devido a um exaustor no topo da torre.

A troca de calor ocorre por contato direto entre o ar e a água. Assim a água é resfriada e pode ser reaproveitada.

Refrigeração em geral

Diagrama do ciclo de refrigeração

Na refrigeração em geral, usa-se dois

trocadores de calor em sistema fechado, com um único gás, o fréon

(um fluorcarboneto não inflamável qualquer).

Recuperadores

Os recuperadores baseiam-se em um trocador de calor tipo duplo tubo. Em um dos tubos existe um fluido quente e no outro um fluido que necessita ser aquecido. Assim o trocador de calor aproveita a energia térmica para aquecer o outro fluido.

Condensadores

Os condensadores são empregados em processos de separação de misturas por destilação, eles são responsáveis, pela condensação de vapores de substâncias que foram separadas no processo de destilação. Esse método é comum na extração de óleos e na purificação de líquidos.

Caldeiras

As caldeiras produzem vapor para alimentar máquinas térmicas, autoclaves para esterilização de materiais diversos, cozimento de alimentos e de outros produtos orgânicos, calefação ambiental e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor.

5. ConclusãoOs trocadores de calor não apenas realizam trocas

térmicas, mas também são responsáveis pelo melhor aproveitamento energético nas indústrias.

Um trocador bem projetado e adequadamente dimensionado para a sua operação, e com manutenção em dia, é capaz de realizar um processo de troca térmica mais eficiente, e, portanto, mais atrativo do ponto de vista econômico. Assim aumenta-se a competitividade do produto final.

Além disso, do ponto de vista ambiental, o uso de trocadores de calor favorece o meio ambiente no momento em que se evita o descarte de fluidos em temperaturas elevadas ou então quando possibilita o reaproveitamento desse mesmo fluido para algum outro processo na indústria.