Trocador de energia trmica

Trocador de calor tubular.

Um trocador de calor ou permutador de calor um dispositivo para transferncia de calor eciente deum meio para outro.Tem a nalidade de transferir ca-lor de um uido para o outro, encontrando-se estes atemperaturas diferentes. Os meios podem ser separadospor uma parede slida, tanto que eles nunca misturam-se, ou podem estar em contato direto.[1] Um permutadorde calor normalmente inserido num processo com a -nalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determi-nado uido. So amplamente usados em aquecedores,refrigerao, condicionamento de ar, usinas de gera-o de energia, plantas qumicas, plantas petroqumi-cas, renaria de petrleo, processamento de gs natural,e tratamento de guas residuais. Em muitos textos emingls abreviado para HX (heat exchanger).Um exemplo comum de trocador de calor o radiador emum carro, no qual a fonte de calor, a gua, sendo um uidoquente de refrigerao do motor, transfere calor para o aruindo atravs do radiador (i.e. o meio de transfernciade calor). Noutras aplicaes so usados para refrige-rao de uidos, sendo os mais comuns, leo e gua eso construdos em tubos, onde, normalmente circula ouido refrigerante (no caso de um trocador para refrige-rao). O uido a ser refrigerado circula ao redor da reado tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a umaSerpentina (duto)) que possui uma ampla rea geometri-camente favorecida para troca de calor.O material usado na fabricao de trocadores de calor,geralmente possui um coeciente de condutibilidade tr-mica elevado. Sendo assim, so amplamente utilizados ocobre e o alumnio e suas ligas.Dentro da teoria em engenharia, um volume de con-

trole, sendo que este equipamento normalmente opera emregime permanente, onde as propriedades da seo de umuido no se altera com o tempo.A ecincia de um trocador de calor depende principal-mente:

Do material utilizado para construo;

Da caracterstica geomtrica e

Do uxo, temperatura e coeciente de condutibili-dade trmica dos uidos em evidncia.

Genericamente, para melhorar a troca de calor, so co-locados aletas em toda a rea da tubulao. Estas ale-tas fazem com que o uido se disperse em reas meno-res, assim, facilitando a troca de calor. Aletas, consis-tem em clulas interligadas entre si, onde circula uido.So construdas em materiais de excelente condutibili-dade trmica. Seu uso, acarreta uma grande desvantagemem um sistema termodinmico, pois reduzem drastica-mente a presso com relao a entrada e sada. A mai-oria dos trocadores de calor, utilizam tubos com geome-trias que favorecem a troca de calor, onde internamente,h em sua rea aletas.

Um trocador de calor de placas intercambiveis.

1

2 2 TIPOS DE TROCADORES DE CALOR

Os permutadores de calor existem em vrias formas cons-trutivas consoante a aplicao a que se destinam, sendoas principais:

Permutador de calor de carcaa e tubos (em inglsshell and tube heat exchanger)

Permutador de calor de placas (plate heat exchanger) Permutador de calor de placas brasadas com aletas(brazed plate n heat exchanger)

Quanto as fases, existem 2 tipos de trocadores de calor:

Monofsico, onde no h mudana defase no uido a ser refrigerado ou aque-cido e

Multifase, onde h mudana de estado f-sico do uido.

Exemplo de trocadores de calor monofsicos: Radiadorde gua e intercooler (ou radiadores a ar).Exemplo de trocadores de calor multifase: Condensadore evaporadores.

1 Regime de uxo

Fluxos contracorrente (A) e paralelo (B)

Fig. 1: Trocador de calor casco e tubos, passagemnica (uxo paralelo 1-1)

Fig. 2: Trocador de calor casco e tubo, 2 passagenspelos tubos (uxo contracorrente 1-2)

Fig. 3: Trocador de calor casco e tubo, 2 passagenspelo casco, 2 passagens pelos tubos (uxo contra-corrente 2-2)

Existem duas classicaes primrias de trocadores decalor de acordo com seus arranjos de uxos. Em troca-dores de calor de uxo paralelo, os dois uidos entram notrocador do mesmo lado, e uem em paralelo um ao outropara o outro lado. Em trocadores de calor contracorrenteos uidos entram no trocador de lados opostos. O pro-jeto contracorrente mais eciente, neste pode-se trans-ferir a maior parte do calor do meio quente (de transfe-rncia). Ver troca em contracorrente. Em trocadores decalor contracorrente, os uidos uem aproximadamenteperpendiculares entre si atravs do trocador.Para maior ecincia, trocadores de calor so projetadospara maximizar a rea de superfcie da parede entre osdois uidos, enquanto minimiza a resistncia ao uxo douido atravs do trocador. O desempenho do trocadortambm pode ser afetado pela adio de aletas ou ondu-laes em um ou ambos os sentidos, o que aumenta a reade superfcie e pode aumentar o uxo em canal do uidoou induzir turbulncia.A temperatura de conduo atravs da superfcie detransferncia de calor varia com a posio, mas uma tem-peratura mdia adequada pode ser denida. Na maioriados sistemas simples, esta a diferena de temperaturamdia logartmica (LMTD, log mean temperature die-rence). s vezes, o conhecimento direto da LMTD noest disponvel e o Mtodo das NTU (nmero de unida-des de transferncia, em ingls Number of Transfer Units) usado.

2 Tipos de trocadores de calor

2.1 Trocador de calor casco e tubo

Um trocador de calor casco e tubos

Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma sriede tubos. Um conjunto destes tubos contm o uido quedeve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo uido corresobre os tubos que esto sendo aquecidos ou esfriados demodo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calornecessrio. O conjunto de tubos chamado feixe de tu-

2.2 Trocador de calor de placas 3

bos e pode ser feita de vrios tipos de tubos: simples, lon-gitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco etubos so normalmente utilizados para aplicaes de altapresso (com presses superiores a 30 bar e temperaturassuperiores a 260C).[2] Isso ocorre porque os trocadoresde calor casco e tubo so robustos, devido sua forma.Existem vrias caractersticas de projeto trmico, que de-vem ser tidas em conta quando projeta-se os tubos na nostrocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem:

Dimetro dos tubos: Usar-se tubos de pequeno di-metro faz o trocador de calor tanto econmico comocompacto. No entanto, mais provvel o trocadorde calor incrustam mais rapidamente e pequeno ta-manho faz a limpeza mecnica das incrustaes di-fcil. Ao prevalecer a incrustao e os problemas delimpeza, tubos de dimetros maiores devem ser uti-lizados. Assim, para determinar o dimetro de tu-bos, o espao disponvel, custos, incrustao, bemcomo a natureza dos uidos devem ser considera-dos.

Espessura de parede de tubo: A espessura das pa-redes dos tubos normalmente determinada de ma-neira a garantir:--- Existir espao suciente para a corroso--- Que a vibrao induzida por uxo tenha resis-

tncia--- Resistncia axial--- Disponibilidade de peas sobressalentes--- Resistncia de conteno ou de cintura (para

suportar a presso do tubo interno)--- Resistncia ambagem (para suportar sobre-

presso no casco) Comprimentos dos tubos: trocadores de calor sonormalmente mais baratos quando ten ummenor di-metro de casco e um longo comprimento de tubo.Assim, normalmente h um objetivo de tornar o tro-cador de calor, enquanto ao mesmo tempo sica-mente possvel, no excedendo as capacidades deproduo. No entanto, existem muitas limitaespara isso, inclusive o espao disponvel no local ondevai ser utilizado e a necessidade de assegurar queno haja tubos disponveis em comprimentos queso o dobro do comprimento necessrio (para queos tubos possam ser retirados e substitudos). Almdisso, o que tem que ser lembrado, os tubos nosso difceis de remover e substituir.

Passo (pitch) dos tubos: quando projeta-se os tubos, prtico para garantir que o passo (pitch) dos tubos(i.e., a distncia do centro do tubo ao centro de tubosadjacentes) no seja inferior a 1,25 vezes o dimetrodos tubos externos. Um passo maior dos tubos levaa um maior dimetro global do casco que leva a umtrocador de calor mais caro.

Corrugao dos tubos: este tipo de tubos, tubos cor-rugdos, utilizados principalmente para os tubos in-ternos, aumenta a turbulncia dos uidos e o efeito muito importante na transferncia de calor dandoum melhor desempenho.

Distribuio ou congurao (layout) dos tubos:refere-se a como os tubos so posicionados dentrodo casco. Existes quatro tipos principais de congu-rao dos tubos, os quais so, triangular (30), tri-angular girado (60), quadrado (90) ou quadradogirado (45). Os padres triangulares so emprega-dos para produzir maior transferncia de calor emque fora-se o uido a uir de uma forma mais tur-bulenta ao redor da tubulao. Padres quadradosso empregados onde alta incrustao experimen-tada e operaes de limpeza so mais regulares.

Projeto das chicanas: chicanas ou deetores so usa-dos em trocadores de calor casco e tubo para direci-onar o uido atravs do feixe de tubos. Eles corremperpendicularmente ao caso e mantm coeso e xoo feixe de tubos, evitando que os tubos de verga-rem ao longo de um comprimento longo. Eles tam-bm podem impedir que os tubos vibrem excessiva-mente. O tipo mais comum de chicana a chicanasegmentar. As chicanas segmentares semicircularesso orientadas a 180 graus para as chicanas adja-centes forando o lquido a uir para cima e parabaixo entre o feixe de tubos. Chicanas de espaa-mento so de grande importncia termodinmica noprojeto de trocadores de calor de casco e tubo. Chi-canas devem ser espaadas, tendo em consideraopara a converso da queda de presso e transfernciade calor. Para a otimizao trmica e econmica sugerido que as chicanas sejam espaados no maisde 20% do dimetro interno do casco. Tendo-sechicanas espaadas muito prximas provoca-se umamaior queda de presso por causa do redireciona-mento de uxo. Consequentemente com as chica-nas espaadas signica que pode haver regies maisfrias nos cantos entre as chicanas. Tambm impor-tante para garantir que as chicanas sejam espaadasperto o suciente para que os tubos no cedam. Ooutro tipo principal de deetor o disco e deetor derosca, que consiste de dois deetores concntricos,o deetor exterior mais amplo parece uma rosqui-nha (donut), embora o deetor interno em formade disco. Este tipo de deetores foram o uido apassar em torno de cada lado do disco, em seguida,atravs do deetor donut gerando um tipo diferentede uxo de uido.

2.2 Trocador de calor de placasOutro tipo de trocador de calor o trocador de calorde placas. Um deles composto por placas mltiplas,

4 2 TIPOS DE TROCADORES DE CALOR

Diagrama conceitual de um trocador de calor placa e quadro

Um trocador de calor de placa nica

nos, levemente separadas que tm reas de superfciemuito grande e as passagens de uxo de uido de trans-ferncia de calor. Este arranjo empilhado de placas podeser mais ecaz, em um determinado espao, que o tro-cador de calor de casco e tubos. Avanos na tecnolo-gia de vedao e brasagem zeram o permutador de ca-lor do tipo placa cada vez mais prtico. Em aplicaesHVAC, grandes trocadores de calor deste tipo so cha-mados placas-e-quadros, quando utilizados em circuitosabertos, estes trocadores de calor so normalmente dotipo vedado permitindo desmontagem, limpeza e inspe-o peridica. Existem muitos tipos de trocadores de ca-lor de placa permanentemente ligadas, tais como varie-dades de placa brasadas por imerso e brasadas a vcuo,e muitas vezes so especicados para aplicaes de cir-cuito fechado, como refrigerao. Trocadores de calor deplacas tambm diferem no tipo de placas que so utiliza-

das, e nas conguraes das placas. Algumas placas po-dem ser carimbados com o extquotedblchevron extquo-tedbl (forma de insgnia), ou outros padres, onde outrospossam ter aletas e/ou ranhuras usinadas.

2.3 Trocador de calor circular adiabticoUm quarto tipo de trocador de calor utiliza um uido in-termedirio ou armazena slidos para manter o calor, que ento transferido para o outro lado do trocador de calora ser liberado. Dois exemplos disso so rodas adiabti-cas, que consistem em uma grande roda com linhas nasem rotao atravs dos quais uem os uidos quentes efrios, e trocadores de calor uido.

2.4 Trocador de calor de placas aletadasEste tipo de trocador de calor utiliza com passagens emextquotedblsanduche extquotedbl para aumentar a efeti-vidade da unidade. Os projetos incluem uxo transver-sal e contrauxo com diversas conguraes de aletas taiscomo aletas retas, aletas deslocadas e as aletas onduladas.Trocadores de calor de placas aletadas so normalmentefeitos de ligas de alumnio, que proporcionam maior e-cincia de transferncia de calor. O material permite queo sistema funcione a baixa temperatura e reduzem o pesodo equipamento. Trocadores de calor de placas aletadasso usados principalmente para servios de baixa tempe-ratura, como plantas de liquefao de gs natural, hlio eoxignio, as plantas de separao de ar e na indstria detransportes como motores e motores de aeronaves.Vantagens de trocadores de calor de placas e aletas:

Alta ecincia de transferncia de calor especial-mente em tratamento de gs

Maior rea de transferncia de calor Aproximadamente 5 vezes mais leves em peso queos de correspondentes em capacidade trocadores decalor de casco e tubos

Capaz de suportar a alta presso

Desvantagens de trocadores de calor de placas e aletas:

Pode ocorrer entupimento das vias que so muitoestreitas

Diculdade de limpar as vias

2.5 Trocadores de calor uidosEste um trocador de calor com um gs que passa paracima atravs de um banho de lquido (frequentementegua), e o uido , ento, levado para outro lugar antes de

2.8 Trocadores de calor de mudana de fase 5

Um trocador de calor de placas intercambiveis aplicado ao sis-tema de uma piscina de natao.

ser refrigerado. Isto comumente utilizado para o resfri-amento de gases ao mesmo tempo que remove-se certasimpurezas, assim, resolve-se dois problemas de uma vez. amplamente utilizado em mquinas de caf expressocomo um mtodo de poupar-se energia de resfriamentode gua super-aquecida para ser utilizada na extrao doexpresso.

2.6 Unidades de recuperao de calor deresduos

Uma unidade de recuperao de calor (WHRU, WasteHeat Recovery Unit) um trocador de calor que recuperao calor de um uxo de gs quente durante sua transfern-cia para um meio de trabalho, geralmente gua ou leo.O uxo de gs quente pode ser o gs de exausto de umaturbina a gs ou um motor a diesel ou a gs de resduosprovenientes da indstria ou da renaria.

2.7 Trocador de calor de superfcie ras-pada dinmico

Outro tipo de trocador de calor chamadoextquotedbltrocador de calor de superfcie raspada(dinmico) extquotedbl.[3] So principalmente usadosem aquecimento ou resfriamento com produtos alta-mente viscosos, processos de cristalizao, aplicaesde evaporao e alta incrustao. Longos tempos de

atividade so alcanados devido raspagem contnuada superfcie, evitando assim incrustao e alcanandouma taxa de transferncia de calor sustentvel durante oprocesso.A frmula usada para isto serQ = A:U:LMTD , ondeQ a taxa de transferncia de calor.

2.8 Trocadores de calor de mudana defase

Reboiler vaporto tower

Steam

Condensate

Bottomsproduct

Towerbottoms

Liquid level

Tpico refervedor de caldeira usado para torres de destilao in-dustrial

Tpico condensador de superfcie refrigerado a gua

Em adio a aquecimento ou resfriamento de uidos emapenas um nica fase, trocadores de calor podem ser utili-zados para aquecer um lquido para evapor-lo (ou ferv-lo) ou so utilizados como condensadores arrefecendo umvapor e condensando-o em um lquido. Em plantas qu-micas e renarias, refervedores utilizados para aqueceralimentos de entrada para torres de destilao so fre-quentemente trocadores de calor.[4][5]

Instalaes de destilao normalmente utilizam conden-sadores para condensar os vapores destilados novamenteem lquido.Usinas que tenham turbinas movidas a vapor comumenteutilizam trocadores de calor para ferver gua em vapor.

6 4 SERPENTINAS DE AR HVAC

Trocadores de calor ou unidades similares para a pro-duo de vapor de gua so frequentemente chamadascaldeiras ou geradores de vapor.Em plantas de usinas nucleares chamadas reatores degua pressurizada (PWR, Pressurized Water Reactor),trocadores de calor especialmente grandes os quais pas-sam o calor do reator do sistema primrio (palnta doreator nuclear) para o secundrio (planta de vapor),produzindo vapor da gua no processo, so chamadosgeradores de vapor. Todas as usinas de energia fs-sil e nuclear usando turbinas impulsionadas a vapor,tem condensadores de superfcie para converter o va-por de exausto das turbinas em condensado (gua) parareutilizao.[6][7]

Para conservar a energia e capacidade de resfriamento emindstrias qumicas e outras plantas, trocadores de calorregenerativos podem ser usados para a transferncia decalor de uma corrente (uxo) que precisa ser resfriado auma outra corrente que precisa ser aquecida, tal como umdestilado de arrefecimento e alimentao do refervedorde pr-aquecimento.Este termo pode tambm referir-se trocadores de calorque contm um material dentro de sua estrutura que temuma mudana de fase. Isso geralmente uma fase slidapara uma lquida, devido pequena diferena de volumeentre estes estados. Esta mudana de fase efetivamenteatua como um amortecedor (buer), pois ocorre a umatemperatura constante, mas ainda permite que o trocadorde calor receba o calor adicional. Um exemplo onde istotem sido investigado para o uso em eletrnicos de aero-naves de alta potncia.

3 Trocadores de calor de contatodireto

Trocadores de calor de contato direto envolvem transfe-rncia de calor entre correntes quentes e frias de duas fa-ses na ausncia de uma parede de separao.[8] Assim taistrocadores de calor podem ser classicados como:

Gs lquido

Lquido imiscvel lquido

Slido-lquido ou slido-gs

A maioria dos trocadores de calor contacto directo caemsob a categoria Gs-Lquido, onde o calor transferidoentre gs e lquido na forma de gotas, lmes ou sprays.[2]

Tais tipos de trocadores de calor so usados predominan-temente em ar condicionados, umidicao de ambien-tes, resfriamento de gua e plantas de condensao.[9]

4 Serpentinas de ar HVAC

Uma das maiores utilizaes de trocadores de calor paraar condicionado das edicaes e veculos. Esta classe detrocadores de calor comumente chamado serpentinas oubobinas de ar, ou apenas serpentinas devido sua tubu-lao interna frequentemente em serpentina. SerpentinasHVAC lquido-ar, ou ar-lquido so tipicamente de ar-ranjo de uxo cruzado. Nos veculos, serpentinas de calorso frequentemente chamadas aquecedores centrais.No lado lquido destes trocadores de calor, os uidos co-muns so gua, uma soluo de gua-glicol, vapor, ouum refrigerante. Para serpentinas de aquecimento, guaquente e vapor so mais comuns, e este uido de aqueci-mento suprido por caldeiras, por exemplo. Para ser-pentinas de resfriamento, gua resfriada e refrigeranteso mais comuns. gua resfriada suprida a partir deuma mquina frigorca que potencialmente localizadomuito longe, mas refrigerante deve ser proveniente deuma unidade de condensao nas proximidades. Quandoum refrigerante utilizado, a serpentina de resfriamento o evaporador no ciclo de refrigerao por compressode vapor. Serpentinas HVAC que usam essa expansodireta de refrigerantes so comumente chamados serpen-tinas DX.No lado do ar de serpentinas HVAC existe uma diferenasignicativa entre aquelas utilizados para o aquecimento,e as de refrigerao. Devido a psicrometria, o ar que es-friado frequentemente tem condensao de umidade foradela, exceto com uxos de ar extremamente seco. Aque-cimento de algum ar a capacidade deste uxo de ar dereter gua. Ento, em serpentinas de aquecimento no necessrio considerar a condensao da umidade em seulado ar, mas serpentinas de resfriamento devem ser ade-quadamente projetadas e selecionadas para lidar com assuas particulares umidade latente, assim como as cargasde resfriamento sensvel. A gua que removida cha-mada condensado.Para muitos climas, serpentinas HVAC de gua ou vaporpodem ser expostos a condies de congelamento. Dadoque gua expande-se sob congelamento, estes um tantocaros e difceis de substituir trocadores de calor de pare-des nas podem ser facilmente danicados ou destrudospor apenas um congelamento. Assim, proteo contra ocongelamento das serpentinas uma das principais pre-ocupaes dos projetistas, instaladores e operadores deHVAC.A introduo de recortes colocados dentro das aletas dotrocador de calor controla a condensao, permitindo queas molculas de gua permaneam no ar refrigerado. Estainveno permitiu a formao de gelo sem refrigerao domecanismo de refrigerao.[11]

Os trocadores de calor em combusto direta de caldeiras,tpicos em muitas resistncias, no so 'serpentinas. Elesso, pelo contrrio, trocadores de calor gs-ar que so ti-picamente feitos de metal estampado em chapa de ao.

5.2 Autolimpeza 7

Os produtos da combusto passam de um lado destes tro-cadores de calor e ar a ser condicionado pelo outro. Umpermutador de calor rachado , portanto, uma situaoperigosa que exige ateno imediata, pois os produtos decombusto so ento susceptveis de entrar na edicaoou instalaes.

5 Trocadores de calor espirais

Desenho esquemtico de um trocador de calor espiral.

Um trocador de calor espiral (SHE, spiral heat ex-changer), pode referir-se a um congurao de tuboshelicoidal (espiralada),[12] mais genericamente, o termorefere-se a um par de superfcies planas que so espira-ladas de forma a formar os dois canais em um arranjo deuxo contracorrente.[13][14] Cada um dos dois canais temdois longos trajetos curvos. Um par de entradas de uidoso conectados tangencialmente a outros braos da espi-ral, e as entradas axiais so comuns, mas opcionais.[15]

A principal vantagem dos trocadores SHE seu uso doespao altamente eciente. Esse atributo muitas vezesalavancado e parcialmente realocado para ganhar outrasmelhorias no desempenho, de acordo com metodologiasconhecidas em projeto de trocadores de calor. (Uma me-todologia destacada a comparao do custo de capitalversus o custo operacional.) Um SHE compacto pode serusado para ter uma menor ocupao nas instalaes, eportanto reduz todos os custos de capital relacionados,ou um sobredimensionado SHE pode ser usado para ter-se menor queda de presso, menor energia de bombea-mento, mais alta ecincia trmica, e mais baixos custosde energia.[13][14][16]

5.1 ConstruoAs distncias entre as folhas dos canais em espiral somantidas usando pinos espaadores que foram soldadosantes de serem rolados. Uma vez que o pacote espi-ral principal foi enrolado, bordas suplentes superiores einferiores so soldadas e cada extremidade fechada por

um plano cone de cobertura cobrir aparafusado ao corpo.Isso assegura que a mistura dos dois lquidos no ir ocor-rer. Se um vazamento acontecer, ser da cobertura deperiferia para a atmosfera, ou para uma passagem quecontm a mesmo uido.[17]

5.2 AutolimpezaTrocadores SHE so frequentemente usados no aqueci-mento de uidos que contenham slidos e, portanto, temuma tendncia a incrustao no interior do trocador decalor. A baixa queda de presso d ao trocador SHE suacapacidade de lidar com incrustaes mais facilmente. Otrocador SHE usa um mecanismo de autolimpeza peloqual as superfcies sujas causam um aumento localizadoda velocidade do uido, aumentando assim a arraste (ouatrito uido) sobre a superfcie incrustada, contribuindoassim para retirar o bloqueio emanter limpo o trocador decalor. As paredes internas que compem a superfcie detransferncia de calor somuitas vezes bastante grossas, oque torna o trocador SHEmuito robusto, e capaz de durarmuito tempo em ambientes exigentes.[18] Eles tambmso facilmente limpos, abrindo-se como um forno ondequalquer acumulao de incrustao pode ser removidospor lavagem presso.

5.3 Disposio dos uxos

flow

0% near 50%

exchange gradient

flow

100% near 50%

flow

near 0% 100%

exchange gradient

flow

0% near 100%

Concurrent Flow

Countercurrent Flow

Fluxos concorrente e contracorrente.

Existem trs tipos principais de uxos em um trocador decalor espiral:

1. Fluxo em contracorrente: Ambos os uxo de ui-dos em direes opostas, utilizado para aplica-es lquido-lquido, condensao e arrefecimentode gs. As unidades so geralmente montadas verti-calmente quando condensao de vapor e montadashorizontalmente aomanusear altas concentraes deslidos.

2. Fluxo em Espiral/uxo cruzado: Um uido estem uxo em espiral e outro em um uxo cruzado.As passagens do uxo em espiral so soldados de

8 7 MONITORAO E MANUTENO

cada lado para este tipo de trocador de calor em es-piral. Esse tipo de escoamento adequado para li-dar com gases de baixa densidade, que passam pelouxo cruzado, evitando a perda de presso. Ele podeser usado para aplicaes lquido-lquido se um l-quido tem uma vazo consideravelmente maior doque o outro.

3. Vapor distribuido/uxo em espiral: Este projeto um condensador, e geralmente montado ver-ticalmente. Ele projetado para atender a sub-resfriamento tanto de condensado e no condens-veis. O resfriante move-se em uma espiral e sai atra-vs do topo. Gases quentes que entram deixam con-densado que sai atravs da sada inferior.

5.4 AplicaesOs trocadores SHE so bons para aplicaes tais comopasteurizao, aquecimentos de digestores, recuperaode calor, pr-aquecimento (ver: recuperador), e esfria-mento de euentes. Para tratamento de lamas, trocadoresSHE so geralmente menores que outros tipos de troca-dores de calor.[19]

6 SeleoDevido s muitas variveis envolvidas, a seleo timade um trocador de calor desaante. Clculos manuaisso possveis, mas muitas interaes so tipicamente ne-cessrias. Assim, trocadores de calor so mais frequente-mente seleccionados atravs de programas de computa-dor, que por projetistas de sistemas, que so tipicamenteengenheiros, ou pelos fornecedores de equipamentos.De maneira a selecionar um trocador de calor apropri-ado, os projetistas de sistemas (ou fornecedores dos equi-pamentos) em primeiro lugar consideram as limitaesde projeto para cada tipo de trocador de calor. Emborao custo seja muitas vezes o primeiro critrio avaliado,h vrios outros importantes critrios de seleo que in-cluem:

Limite de alta e baixa presso Performance trmica Faixas de temperatura O conjunto de produtos (lquido/lquido, lquidoscom particulados ou alto teor de slidos)

Queda de presso ao longo do trocador Capacidade de uxo de uido Caractersticas de limpeza, manuteno e reparo Materiais requeridos para construo

Capacidade e facilidade de futura expanso

A escolha do trocador de calor correto requer algumconhecimento de diferentes tipos de trocadores de ca-lor, assim como o ambiente no qual a unidade ir ope-rar. Tipicamente na indstria de manufatura, diver-sos tipos diferentes de trocadores de calor so usadospara apenas um processo ou sistema para obter-se oproduto nal. Por exemplo, um trocador de calor ket-tle para pr-aquecimento, um trocador de tubo duplopara o uido transportador e um trocador placa e qua-dro para resfriamento. Com suciente conhecimento detipos de trocadores de calor e requerimentos de operao,uma seleo apropriada pode ser feita para otimizar-se oprocesso.[20][21][22]

7 Monitorao e manutenoA inspeo de integridade de trocadores de calor tubulare de placas podem ser testados in situ por mtodos decondutividade ou por gs hlio. Estesmtodos conrmama integridade das placas ou tubos para prevenir qualquercontaminao cruzada e as condies das juntas.Monitorao das condies dos tubos de trocadores decalor pode ser conduzida atravs de ensaios no destru-tivos como os ensaios no destrutivos de tubos (TubularNDT, de tubular nondestructive testing) e ensaios base-ados em correntes parasitas. Os mecanismos de uxode gua e depsitos so frequentemente simulados poruidodinmica computacional (CFD, computational uiddynamics). A incrustao um problema srio em algunstrocadoes de calor. guas doces pouco tratadas so fe-quentemente usadas como gua de resfriamento, o queresulta em detritos biolgicos entrando no trocador decalor e produzindo camadas, diminuindo o coecientede transferncia trmica. Outro problema comum oextquotedbltrtaro extquotedbl, ou incrustao calcrea,que composto de camadas depositadas de compostosqumicos, como carbonato de clcio ou carbonato demagnsio, relacionados com a dureza da gua.

7.1 IncrustaoIncrustao ocorre quando um uido passa por um troca-dor de calor, e as impurezas no uido precipitam-se sobrea superfcie dos tubos.A precipitao destas impurezas pode ser causada por:

Uso frequente do trocador de calor Ausncia de limpeza regular do trocador de calor Reduo da velocidade dos uidos movendo-se atra-vs do trocador de calor

Superdimensionamento do trocador de calor

7.2 Manuteno 9

Um trocador de calor em uma usina de energia a vapor conta-minada com macro-incrustao.

Efeitos de incrustao so mais abundantes nos tubosfrios dos trocadores de calor que em tubos quentes. Isto causado porque impurezas so menos facilmente dis-solvidas num uido frio. Isto porque, para a maioriadas substncias, a solubilidade aumenta quando a tempe-ratura aumenta. Uma notvel exceo gua dura e seussais de metais alcalinos-terrosos onde o oposto verda-deiro.A incrustao aumenta a rea da seo transversal para ocalor ser transferido e causa um aumento na resistncia transferncia de calor atravs do trocador de calor. Isto porque a condutividade trmica da camade de incrustao baixa. Isto reduz o coeciente de transferncia trmicaglobal e a ecincia do trocador de calor. Ocorrendo isto,pode conduzir a um aumento nos custos de bombeamentoe manuteno.A abordagem convencional para o controle de incrusta-o combina a aplicao cega de biocidas e produtosqumicos antitrtaro com testes de laboratrio. Isto fre-quentemente resulta em uso excessivo de produtos qumi-cos com o inerente efeito colateral de acelerar o sistemade corroso e aumentar os resduos txicos - sem menci-onar o incremento de custos de tratamentos desnecess-rios.No entanto, existem solues para monitoramento cont-nuo incrustantes em ambientes lquidos, tais como o sen-sor Neosens FS, medindo tanto a espessura de incrusta-o e temperatura, permitindo otimizar a utilizao deprodutos qumicos e controlar a ecincia de limpeza.O superdimensionamento dos trocadores causa o au-mento da incrustao pela diminuio do arraste tanto deslidos particulados quanto de impurezas que se solidi-cam e se precipitam ao longo do trocador, no sendo re-movidos continuamente pela ao do prprio movimento

em suciente velocidade do uido.[23][24][25]

7.2 ManutenoTrocadores de calor de placas precisam ser desmontadose limpos periodicamente. Trocadores de calor tubula-res podem ser limpos por mtodos tais como a limpezacida, jateamento, jato de gua de alta presso, limpezapor bala[26], ou por hastes.Em grande escala os sistemas de refrigerao de guapara trocadores de calor, tratamento de gua tal como apuricao, a adio de produtos qumicos e testes, sousados para minimizar o sujar de equipamento de trocade calor. Outros tratamentos de gua tambm so usadoem sistemas de vapor para usinas de energia, etc, paraminimizar a incrustao e corroso da troca de calor eoutros equipamentos.Uma variedade de empresas comearam a utilizar a guater tecnologia de oscilaes para evitar bioincrustao.Sem o uso de produtos qumicos, este tipo de tecnologiatem ajudado na proviso de uma baixa queda de pressoem trocadores de calor.[27][28]

8 Na indstriaTrocadores de calor so largamente usados na indstriatanto para resfriamento e aquecimento em larga escalaem processos industriais. O tipo de tamanho de troca-dores de calor usados pode ser adaptado a um processodependendo do tipo de uido, sua fase, temperatura, den-sidade, viscosidade, presses, composio qumica e v-rias outras propriedades termodinmicas.Em muitos processos industriais existe desperdcio deenergia ou uma corrente de calor que est sendo exaurida,trocadores de calor podem ser usados para recuperar estecalor e coloc-lo em uso pelo aquecimento de uma outracorrente no processo. Esta prtica poupa uma quantidadede dinheiro na indstria como o calor fornecidos a outrascorrentes dos trocadores de calor que de outra dorma vi-ria de fonte externa a qual mais custosa e mais nocivaao ambiente.Trocadores de calor so usados em muitas indstrias, al-gumas das quais incluem:

Tratamento de guas residuais Sistemas de refrigerao Indstria de vinhos e cervejarias Indstria do petrleo. Indstria qumica pesada

Na indstria de tratamento de guas residuais, trocado-res de calor desempenham um papel vital na manuteno

10 10 UM MODELO PARA UM TROCADOR DE CALOR SIMPLES

tima de temperaturas internamente a digestores anaer-bicos a m de promover o crescimento de microorganis-mos que removem os poluentes das guas residuais. Ostipos mais comuns de trocadores de calor utilizados nestaaplicao so o trocadores de calor de duplo tubo, bemcomo os trocadores de calor de placa e quadro.

9 Em aeronavesEm aeronaves comerciais, trocadores de calor so usadospara tomar calor do suistema de leo do motor a aquecercombustvel frio.[29] Isto melhora a ecincia do combus-tvel, assim como reduz a possibilidade de gua aprisio-nada no combustvel congelado em componentes.[30]

No incio de 2008, um Boeing 777 voando como BritishAirways Flight 38 acidentou-se pouco aps a pista. Noincio de 2009 Boeing atualizou informaes para os ope-radores de aeronaves, o problema foi identicado comoespecco dos trocadores de calor do uxo de leo do mo-tor Rolls-Royce.[nota 1]

10 Um modelo para um trocadorde calor simples

Um trocador de calor simples[31] pode ser entendidocomo dois tubos retos com uxo de uido, os quaisso termicamente conectados. Considera-se os tuboscomo de igual comprimento L, conduzindo uidos comcapacidade trmica Ci (energis por unidade de massapor unidade por alterao na temperatura) e considere-se a taxa de uxo de massa dos uidos atravs dos tubossendo ji (massa por unidade de tempo), onde o subscritoi aplica-se ao tubo 1 ou tubo 2.Os pers de temperatura para os tubos so T1(x) andT2(x) onde x a distncia ao longo do tubo. Suponha-seum estado estacionrio, de modo que os pers de tempe-ratura no so funes de tempo. Considere-se tambmque somente transferncia de calor de um pequeno vo-lume de uido em um tubo est para o elemento de uidono outro tubo na mesma posio. No haver transfern-cia de calor ao longo de um tubo devido a diferenas detemperatura naquele tubo. Pela lei de Newton do resfria-mento a taxa de alterao da energia de um pequeno vo-lume de uido proporcional diferena de temperaturaentre ele e o elemento correspondente no outro tubo:

du1dt

= (T2 T1)

du2dt

= (T1 T2)onde ui(x) a energia trmica por unidade de compri-mento e a constante de conexo trmica por unidadede comprimento entre os dois tubos.

Esta alterao na energia interna resulta em uma alteraona temperatura do elemento de uido. A taxa no tempode alterao para o elemento de uido sendo transportadoao longo do uido :

du1dt

= J1dT1dx

du2dt

= J2dT2dx

onde Ji = Ciji a taxa de uxo de massa trmica.As equaes diferenciais governando o trocador de calorpodem agora ser escritas como:

J1@T1@x

= (T2 T1)

J2@T2@x

= (T1 T2):Note-se que, dado que o sistema um estado estacion-rio, no h derivadas parciais de temperatura em relaoao tempo, e j que no h transferncia de calor ao longodo tubo, no h derivadas segundas em x como encon-trado na equao do calor. Estas duas equaes diferen-ciais de primeira ordem acopladas podem ser resolvidasresultando:

T1 = A Bk1k

ekx

T2 = A+Bk2k

ekx

onde k1 = /J1 , k2 = /J2 , k = k1 + k2 e A e Bso duas ainda indeterminadas constantes de integrao.Fazendo-se T10 and T20 serem as temperaturas a x=0 efazendo-se T1L e T2L serem as temperaturas no nal dotubo em x=L. Dene-se as temperaturas mdias em cadatubo como:

T 1 =1

L

Z L0

T1(x)dx

T 2 =1

L

Z L0

T2(x)dx:

Usando-se as solues acima, estas temperaturas so:

Escolhendo-se quaisquer duas das temperaturas aima irpermitir que as constantes de integrao sejam elimina-das, o que permitir que as outras quatro temperaturassejam encontradas. A energia total transferida encon-trada por integrao das expresses para a taxa no tempoda alterao de energia interna por unidade de compri-mento:

11.4 Animais pr-histricos 11

dU1dt

=

Z L0

du1dt

dx = J1(T1L T10) = L(T 2 T 1)

dU2dt

=

Z L0

du2dt

dx = J2(T2LT20) = L(T 1T 2):

Pela conservao da energia, a soma das duas energias zero. A quantidade T 2 T 1 conhecida como adiferena de temperatura mdia logartmica uma me-dida da ecincia do trocador de calor em transferir ener-gia trmica.

11 Na naturezaDiversas estruturas dos seres vivos comportam-secomo trocadores de calor. Estas diversas estruturasdesenvolveram-se em forma e caractersticas no processoevolutivo com crescentes ecincias nos processos trmi-cos que controlam e nas trocas trmicas adequadas aomeio que promovem

11.1 HumanosOs pulmes humanos, assim como os de diversas es-pcies homeotermas como outros mamferos e as aves,servem como um trocador de calor extremamente e-ciente devido a sua grande razo de rea de superfciepor volume.[32] Em espcies que tem testculos externos(tais como os humanos e diversos mamferos), como asartrias dos testculos so cercadas por uma malha deveias chamada de plexo pampiniforme. Isto esfria o san-gue que dirige-se aos testculos, enquanto reaquece o san-gue retornando ao corpo.[33][nota 2]

11.2 ElefantesAs orelhas dos elefantes africanos so um exemplo deestrutura desenvolvida pelo processo evolutivo com vis-tas refrigerao pela conveco forada, especialmentequando abanam as orelhas, da corrente sangunea, tro-cando calor com o ar, operando como trocador de calorlquido-ar em resfriamento do lquido.[34][35][36]

11.3 Aves, peixes, baleiasTrocadores de calor em contracorrente ocorrem natu-ralmente no sistema circulatrio de peixes e baleias. Ar-trias da pele transportando sangue quente so interli-gadas com as veias da pele transportando sangue frio,causndo a troca de calor do sangue arterial quente como sangue venoso frio. Isto eduz a perda de calor globalem guas frias. Trocadores de calor esto presentes tam-bm na lngua de baleias como grandes volumes de uxo

de gua atravs de suas bocas.[37][38] Aves limcolas usamum sistema similar para limitar as perdas de calor de seuscorpos atravs de suas pernas na gua.

11.4 Animais pr-histricosO animais pr-histricos sinapsidas, como o Dimetrodone o Edaphosaurus, possuiam velas nas costas que sohipoteticamente consideradas como tendo funo de re-gulagem trmica.[39]

12 Ver tambm Entalpia Arrefecimento gratuito Recuperador de calor

13 Notas[1] Outros trocadores de calor, ou aeronaves Boeing 777 mo-

vidas por motores GE ou Pratt and Whitney, no so afe-tadas pelo problema.

[2] Na maioria dos mamferos tais estruturas so necessriaspara a maturao dos espermatozoides, que s se d emtemperatura ligeiramente menor que a interna do corpo.

14 Referncias[1] Sadik Kaka and Hongtan Liu. Heat Exchangers: Selec-

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14 16 FONTES, CONTRIBUIDORES E LICENAS DE TEXTO E IMAGEM

16 Fontes, contribuidores e licenas de texto e imagem16.1 Texto

Trocador de energia trmica Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Trocador_de_energia_trmica?oldid=40104233 Contribuidores: Ma-nuel Anastcio, JoniFili, Jo Lorib, Reynaldo, Biologo32, JAnDbot, Ddis, TXiKiBoT, Teles, Mrio Henrique, Oalinux, Anasoapaixao,CorreiaPM, Vitor Mazuco, Luckas-bot, Lauro Chieza de Carvalho, Xqbot, Onjacktallcuca, Danilo.mac, Alch Bot, Stegop, HVL, Vini-ciusmc, DixonDBot, Francisco Quiumento, EmausBot, Renato de carvalho ferreira, Reporter, ChuispastonBot, CocuBot, Bruno Meireles,Orionist, KLBot2, Malyszkz, Zoldyick, Adilson Miranda, Leo YV e Annimo: 27

16.2 Imagens Ficheiro:Commons-logo.svg Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Commons-logo.svg Licena: Public domain

Contribuidores: This version created by Pumbaa, using a proper partial circle and SVG geometry features. (Former versions used to beslightly warped.) Artista original: SVG version was created by User:Grunt and cleaned up by 3247, based on the earlier PNG version,created by Reidab.

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domain Contribuidores: Varem Artista original: Francesco Brocchi - Ruggero Dalla Nora Ficheiro:Plate_frame_1.png Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/75/Plate_frame_1.png Licena: CC-BY-SA-

3.0 Contribuidores: ? Artista original: ? Ficheiro:Plate_frame_2.pngFonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Plate_frame_2.pngLicena: CC-BY-SA-3.0

Contribuidores: ? Artista original: ? Ficheiro:Plate_heat_exchanger.png Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/05/Plate_heat_exchanger.png Licena:

Attribution Contribuidores: Varem s.p.a. Artista original: Varem s.p.a. Ficheiro:Spiral_heat_exchanger.png Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/Spiral_heat_exchanger.png Li-

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Regime de fluxo Tipos de trocadores de calor Trocador de calor casco e tubo Trocador de calor de placas Trocador de calor circular adiabtico Trocador de calor de placas aletadas Trocadores de calor fluidos Unidades de recuperao de calor de resduos Trocador de calor de superfcie raspada dinmico Trocadores de calor de mudana de fase

Trocadores de calor de contato direto Serpentinas de ar HVAC Trocadores de calor espirais Construo Autolimpeza Disposio dos fluxos Aplicaes

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