Trocadores de Calor

Trocadores de Calor

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Trocadores de calor são equipamentos que permitem a troca de calor entre dois fluidos.

de trocadores de calor:

Fundamentalmente, os trocadores de calor podem ser classificados pela natureza da transferência e pelo tipo de construção. O fluxograma abaixo detalha com exatidão os tipos

Com relação à natureza da transferência podemos classificar os trocadores de calor em

superfície:

dois subgrupos, os de contato direto ou de mistura, e os de contato indireto ou de

admissível

a) De mistura ou de contato direto: onde dois fluidos entram em contato direto um com o outro, propiciando que o fluido de maior temperatura (fluido quente (fq)) ceda calor ao fluido de menor temperatura (fluido frio (f)). As aplicações triviais desse tipo de trocador de calor envolvem transferência de massa e calor (energia). Aplicações envolvendo somente transferência de calor são raras. Em comparação aos trocadores de calor de contato indireto, geram taxas de transferência de calor mais elevadas em razão da transferência de massa. A construção desse tipo de equipamento é relativamente barata quando comparados aos de contato indireto, porém sua aplicação é limitada a casos onde o contato direto entre os fluidos seja b) De superfície ou de contato indireto: onde há uma superfície sólida impossibilitando o contato direto entre os dois fluidos e que analogamente aos de mistura, o fluido quente (fq) cede calor ao fluido frio (f), promovendo apenas a apenas a transferência de energia. Essas superfícies em geral, são compostas por tubos.

O exemplo mais comum de trocadores de calor de contato direto são as torres de resfriamento, na qual o ar externo e água quente (oriunda de um processo qualquer) são

Classificação Trocadores de Calor

Natureza da Transferência

Tipo de Construção

Natureza da Transferência

Contato

Direto Contato Indireto

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resfriamento

admitidos no sistema, onde os fluidos entram em contato direto e assim promovem a transferência de calor e de massa. A água oriunda do processo é liberada em forma de gotículas de forma a aumentar a área superficial de contato entre os fluidos, resultando no aumento da área de troca de calor. A figura abaixo ilustra o esquema básico de uma torre de

Os trocadores de contato indireto ou de superfície são classificados em trocadores de

e de armazenamento

transferência direta

Nos trocadores de calor por contato indireto e transferência direta, há um fluxo de calor contínuo do fluido quente (fq) para o fluido frio (f), através de uma parede que impossibilita o contato entre ambos. Não há mistura (troca de massa) entre os fluidos, pois cada corrente permanece em passagens separadas. Esse tipo de trocador é denominado como trocador de calor de recuperação ou recuperador. Trocadores de calor de placa, tubulares e de superfície estendida são exemplos de trocador de calor por contato indireto e transferência direta.

Trocadores de calor de armazenamento, também denominados regeneradores, os fluidos quente (fq) e frio (f) percorrem alternadamente as mesmas passagens de troca de

Contato Indireto

Transferência

Direta Armazenamento

T fq ; entrada

T fq; saída

T f ; entrada

T f ; saída

Eng. Gerson R. Victoria 3 calor. A superfície de transferência de calor é composta de uma estrutura de armazenamento denominada matriz de armazenamento. Na hipótese de aquecimento, o fluido quente escoa através do equipamento, em contato com a superfície de transferência de calor, energia é armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio (f) passar pelas mesmas passagens, a matriz há uma temperatura mais elevada que o fluido frio (f), cede calor ao mesmo.

Em grandes instalações de sistemas de ar condicionado, uma opção amplamente utilizada são os bancos de gelo ou tanques de gelo. Nessa situação a matriz muda para fase sólida, tornando-se gelo, nesse processo a matriz libera (cede) energia (entalpia de solidificação) ao fluido refrigerante que circula no sistema (banco de gelo) no período noturno, onde a tarifa de energia elétrica tem um custo reduzido. Durante o dia, o fluido quente (fq) oriundo do sistema de circulação do ar condicionado é conduzido aos bancos de gelo, reduzindo ou eliminando (no caso do sistema ser dimensionado para atender a carga térmica total) o trabalho dos chillers nos horários em que a tarifa de energia é mais cara,

proporcionando assim uma sensível economia nos custos operacionais do sistema

Com relação ao tipo de construção podemos classificar os trocadores de calor em dois

e o tipo placa

subgrupos, os tubulares

Trocadores de calor tipo placa são construídos com placas planas lisas, ou placa planas corrugadas que aumentam a área de troca de calor propiciando maior resistência à placa produzindo maior turbulência no escoamento dos fluidos. A vantagem desse tipo de trocador de calor reside nos seguintes aspectos:

facilidade de acesso a superfície de troca de calor facilita a limpeza e uma eventual substituição de placas;

Matriz de Armazenamento

Tipo de Construção

Tubulares Tipo Placa

Eng. Gerson R. Victoria 4 incrustação reduzida, comparado aos tubulares, devido as placas corrugadas produzirem maior turbulência no escoamento; pode operar com mais de dois fluidos; flexibilidade de alteração da área de troca de calor devido a sua concepção “modular” de construção.

ilustrativo e as fotos abaixo ilustram os detalhes de um trocador de calor tipo placa

A desvantagem desse tipo de trocador em relação a um tubular equivalente, geralmente, reside no fato de não suportarem pressões e muito elevadas. As o esquema

Pacote de Placas Placa de Pressão

Placa de Estrutura

Tirantes

Prisioneiros

Coluna de Supote

Suporte de Fixação

Barramento inferior

Gaxeta

Suporte de Fixação

Bocal de Inspeção

Barramento Superior

Caixa de rolamento

Chapa de Proteção

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Abordaremos em um primeiro momento, os trocadores de calor de superfície ou de contato indireto, em função de serem os mais utilizados nos processos industriais.

são divididos basicamente em três grupos:

Os trocadores de calor tubulares

1) Duplo Tubo (Double Pipe)

Esse trocador de calor é constituído em geral por dois tubos de seção circular, concêntricos, de diâmetros diferentes. Por dentro do tubo interno passa um dos fluidos denominados “fluido do tubo” ou “fluido tubular”. No espaço entre o tubo externo e o tubo interno passa o outro fluido, denominado “fluido anelar”, em analogia com o formato geométrico de um anel.

A figura abaixo ilustra o esquema de um trocador de calor de duplo tubo
metros)

A limitação de uso desse tipo de trocador se deve a pequena área de troca de calor disponível, pois sua confecção esta limitada ao comprimento comercial dos tubos (6

Esse tipo de trocador de calor é usado devido a sua simplicidade na construção, desmontagem fácil e conseqüentemente o fácil acesso para manutenção, o que resulta em custos baixos tanto de construção, operação bem como a manutenção.

Para trabalharmos com comprimentos maiores, perdemos as grandes vantagens desse tipo de equipamento que é o baixo custo de construção e manutenção.

Fluido Anelar Fluido Tubular

Tubulares

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2) Serpentina (Shell and Coil)

Esse tipo de trocador de calor de calor permite uma maior área de troca de calor entre os fluidos que o tipo duplo tubo. O tubo interno é “enrolado” em espiral, acompanhando a geometria interna do reservatório, essa conformação lembra a forma de uma serpente, daí vem a nomenclatura serpentina.

necessário deixar livre o volume central do reservatório

É usado principalmente quando deseja-se resfriar ou aquecer o fluido contido no reservatório (casco). Os exemplos mais comuns de aplicação desse tipo de trocador de calor na indústria são os tanques de tratamento químico de peças ou produtos, onde se faz

3) Multitubular (Shell and Tube)

São os mais usados na indústria quando há a necessidade de grandes áreas de troca de calor.

Em nosso estudo envolvendo trocadores de calor, devemos fazer algumas considerações extremamente importantes:

O volume de controle em estudo (trocador de calor) é adiabático, ou seja, não há troca calor com o meio. A troca de calor se dá internamente entre os dois fluidos.

O escoamento dos dois fluidos (anelar e tubular) dentro do volume de controle (trocador de calor) se dá em regime permanente, ou seja, as

ao longo do escoamento

propriedades do fluido não sofrem alteração

O fluxo de calor entre os dois fluidos é dado pelas relações de efeito combinado (condução e convecção) em paredes cilíndricas, já expostas em tópico anterior, onde 2p.r.L é a área de troca de calor de um tubo. Por essa relação, em função de um determinado fluxo de calor , podemos calcular o comprimento L necessário de um tubo para propiciarmos o fluxo de calor entre os dois fluidos. Quando esse comprimento for demasiadamente grande, fracionamos esse tubo de forma a compormos um feixe de tubos, o qual é inserido

Eng. Gerson R. Victoria 7 em uma ordem lógica em função dos parâmetros de escoamento externo dentro da carcaça.

calor:

A figura abaixo ilustra com detalhes o esquema de construção desse tipo de trocador de

Os tubos são “presos” pelas extremidades em dois discos de chapa denominados espelhos. Os espelhos são soldados à carcaça, ou em caso de trocadores maiores, flangeados à carcaça e aos cabeçotes, que tem por finalidade coletar o fluido dos tubos, proverem o retorno e distribuir o fluido pelos tubos.

figura abaixo mostra em perspectiva os detalhes de um trocador de calor casco e tubos

Os fluidos entram e saem do trocador de calor pelos bocais, que são compostos por um “pescoço” e um flange, e em caso de trocadores pequenos, por conexões rosqueadas. A

Em um trocador de calor multitubular, o fluido anelar dispõe de uma área de passagem relativamente grande, o que gera velocidade de escoamento reduzida . Como o

Espelho Flange

Fluido Anelar

Fluido Tubular Flange

Boca

Espelho

Cabeçote

Carcaça/Casco

Defletores/Chicana

Junta Vedação Cabeçote

Bocal

Cabeçote

Junta de Vedação

Suporte de Fixação

Feixe de Tubos

Chicanas/ Defletores

Casco

Espelho Espelho

Bocal

Bocal

Eng. Gerson R. Victoria 8 coeficiente de película é diretamente proporcional a velocidade de escoamento do fluido, essa condição propicia baixo coeficiente de película, e conseqüentemente, perda de eficiência do equipamento. Para evitarmos essa situação, são colocados defletores na parte interna do casco, formando com isso “galerias”, que além de propiciarem ao fluido anelar percorrer todo corpo do trocador de calor sem regiões de estagnação, há um aumento na velocidade de escoamento do fluido anelar com a redução da área, aumentando sensivelmente o coeficiente de película, melhorando assim a eficiência do equipamento.

Um fluido dá “um passe” no trocador de calor, seja ele tubular ou anelar, quando ele percorre uma vez o comprimento (L) do trocador de calor. Assim, classificamos um trocador multitubular em função do número de passes dado pelo fluido anelar e o tubular ao longo do comprimento (L) do trocador de calor. Expressamos essa classificação na forma genérica

TC X – Y, onde X é o numero de passes que o fluído anelar dá no casco e Y o número de

detalhes essa classificação

passes que o fluido tubular dá nos tubos. Logo, dizemos que um trocador de calor multitubular é classificado como TC 1 – 1 quando o fluido anelar da um passe no casco e o fluido tubular da um passe nos tubos. Os esquemas abaixo ilustram com maior riqueza de

Temperatura de entrada do fluido quente (fq). Temperatura de saída do fluido quente (fq).

Temperatura de entrada do fluido frio (f). Temperatura de saída do fluido frio (f).

Na condição hipotética do escoamento em regime permanente (vazão dos fluidos anelar e tubular constante), analisando os esquemas dos trocadores de calor acima é fácil concluir que aumentando o número de passes reduzir-se-á a área de escoamento, logo a velocidade de circulação dos fluidos aumentará elevando assim o coeficiente de película dos fluidos.

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Não é difícil notar que à medida que aumentamos o número de passes, dificulta e encarece tanto a construção como a manutenção do equipamento.

ilustramos abaixo:

Com base na analise de um trocador TC 1 – 1 existe a possibilidade de dois tipos de escoamentos distintos dentro de um trocador de calor, denominado escoamento em correntes paralelas e escoamento em correntes contrárias ou contracorrentes, conforme

Dentro de um trocador de calor, dois fluidos trocam calor em correntes paralelas quando ambos os fluidos têm o mesmo sentido de escoamento. De modo inverso, dois fluidos trocam calor dentro de um trocador de calor em correntes contrárias ou contra correntes quando os fluidos têm sentidos de escoamento opostos.

Vamos analisar a diferença de funcionamento em ambos os casos através de um gráfico que contempla a variação de temperatura (T, t) dos fluidos ao longo do escoamento, em função do comprimento (L) do trocador de calor.

seja o fluido frio

Em nossa analise, vamos considerar que o fluido que escoa pelo casco do trocador de calor (fluido anelar) seja o fluido quente e que o fluido que escoa pelos tubos (fluido tubular)

Correntes Paralelas Correntes Contrárias

Correntes Paralelas T, t t b t a

Correntes Contrárias

T, t fq f T t b t a

Eng. Gerson R. Victoria 10 t a Diferença de temperatura na extremidade esquerda do trocador de calor.

t b Diferença de temperatura na extremidade direita do trocador de calor.

T Variação de temperatura do fluido quente.

t Variação de temperatura do fluido frio.

fq Fluido Quente.

f Fluido Frio.

L Comprimento útil do trocador de calor.

Analisando o trocador de calor operando em correntes paralelas, podemos observar a diferença de temperatura (tA ) na entrada do trocador de calor é muito grande, revelando uma troca intensa de calor entre o dois fluidos, sendo que essa diferença cai sensivelmente ao logo do escoamento a partir da segunda metade do trocador de calor, apontando para uma baixa eficiência na troca de calor entre os dois fluido nessa região.

No caso do trocador de calor operando em correntes contrárias, a diferença de temperatura entre os fluidos ao longo do escoamento não sofre variações sensíveis, o que acarreta uma diferença média de temperatura maior (abordaremos esse conceito detalhadamente mais adiante) e pequena variação. Portanto, concluímos facilmente que um trocador de calor operando em correntes contrárias é sensivelmente mais eficiente que um trocador de calor operando em correntes paralelas.

Vimos anteriormente que o fluxo de calor entre os dois fluidos dentro de um trocador de calor é dado pelas relações de efeito combinado (condução e convexão) em paredes cilíndricas, já expostas com riqueza de detalhes em tópicos anteriores. O fluxo de calor entre os dois fluidos nesse caso é dado pela seguinte equação:

Onde, h 1 Coeficiente de película interno ao tubo.

h 2 Coeficiente de película interno ao tubo.

K Coeficiente de condutibilidade térmica do tubo metálico.

r 1 Raio interno do tubo metálico.

r 2 Raio externo do tubo metálico.

L Comprimento útil do tubo metálico.

Multiplicando o numerador e o denominador da equação por r1 , temos:

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Área interna de troca de calor
Resistência térmica devido à película do fluido tubular interno

Onde as parcelas representam fisicamente: Resistência térmica da parede do tubo.

Resistência térmica devido à película do fluido anelar externo.

Define-se como Coeficiente Global de Troca de Calor interno (em relação à área interna do tubo (r1 )) o inverso do denominador das parcelas referentes às resistências térmicas das películas e da parede do tubo. Portanto temos:

Aplicando o mesmo raciocínio, mas multiplicado numerador e denominador da equação por r 2 teríamos o Coeficiente Global de Troca de Calor externo (em relação à área externa do tubo (r2 )). Essa diferença só irá interessar em um projeto detalhado de um trocador de calor, o que não é o objetivo do nosso curso.

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