Sistemas Térmicos

Sistemas Térmicos

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1 Eng. Gerson R. Victoria

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

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 de trocadores de calor:

Com relação à natureza da transferência podemos classificar os trocadores de calor em dois subgrupos, os de contato direto ou de mistura, e os de contato indireto ou de superfície:

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 admissível.

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 são compostas por tubos ou placas, dependendo do tipo de trocador de calor.

Classificação dos Trocadores de Calor

Natureza da Transferência

Tipo de Construção

Natureza da Transferência

Contato Direto

Contato Indireto

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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 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 resfriamento.

Os trocadores de contato indireto ou de superfície são classificados em trocadores de transferência direta e de armazenamento.

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.

Contato Indireto

Transferência

Direta Armazenamento

Tfq ; entrada

Tfq; saída Tff ; entrada

Tff ; saída

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Trocadores de calor de armazenamento, também denominados regeneradores, os fluidos quente (fq) e frio (f) percorrem alternadamente as mesmas passagens de troca de 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 subgrupos, os tubulares e o tipo placa.

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

Matriz de Armazenamento

Tipo de Construção

Tubulares Tipo Placa

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Facilidade de acesso a superfície de troca de calor facilita a limpeza e uma eventual substituição de placas.

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.

A desvantagem desse tipo de trocador em relação a um tubular equivalente, geralmente, reside no fato de não suportarem pressões muito elevadas. O esquema ilustrativo e as fotos abaixo ilustram os detalhes de um trocador de calor tipo placa.

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.

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