APS - Trocador de Calor

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UNIVERSIDADE PAULISTA
LUCAS SALES DA CONCEIÇÃO; D075GD-3
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA
Corrosão e incrustação em trocadores de calor
SÃO JOSÉ DO RIO PRETO
2018
LUCAS SALES DA CONCEIÇÃO; D075GD-3
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA
Corrosão e incrustação em trocadores de calor
Atividade Prática Supervisionada (APS), apresentada como exigência para a avaliação do 5º semestre, do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Paulista. 
Orientador: Prof. Dr. Eng. Mecânico Marcos Noboru Arima.
SÃO JOSÉ DO RIO PRETO
NOVEMBRO DE 2018
RESUMO
Geladeira, fogão e ar condicionado, objetos que temos contato quase que diariamente, encaixam-se na categoria de trocadores de calor. Este, que através de estudo técnico para tal finalidade podem sofrer ações do meio ambiente como corrosão e incrustação. Esse trabalho tem como objetivo transmitir os conhecimentos teóricos fundamentados de trocadores de calor, corrosão e incrustação, de forma simples, porém ajudando a compreensão dos mecanismos básicos e principais tipos, reconhecendo os mecanismos envolvidos e aplicando os conhecimentos teóricos referentes aos mesmos, resolvendo problemas de transmissão de calor, corrosão e incrustação. 
ABSTRACT
Refrigerator, stove and air conditioning, objects that we have almost daily contact, fit into the category of heat exchangers. This, through technical study for such purpose can suffer environmental actions such as corrosion and fouling. The objective of this work is to transmit the theoretical knowledge of heat exchangers, corrosion and incrustation, in a simple way, but helping to understand the basic mechanisms and main types, recognizing the mechanisms involved and applying the theoretical knowledge related to them, solving problems of heat transmission, corrosion and scale.
SUMÁRIO
RESUMO	3
ABSTRACT	4
1.	INTRODUÇÃO	6
2.	TROCADORES DE CALOR	7
2.1.	Classificação de trocadores de calor por meio de transferência de energia interna	1
2.1.1.	Contato direto	1
2.1.2.	Contato indireto	1
2.2.	Classificação por Tipo de Construção	3
2.2.1.	Tubular	3
	Carcaça e tubo	3
	Tubo Duplo	4
	Serpentina	4
2.2.2.	Tipo de placa	5
3. CORROSÃO	6
3.1. Processo de corrosão que ocorre em um trocador de calor	7
3.2. Soluções contra a corrosão no trocador de calor	9
4.	INCRUSTACAO	11
4.1	Tipos mais Encontrados De incrustação	11
4.2	Consequências da incrustação em trocadores de calor	13
4.3	Imagens demonstrativas incrustações em trocadores de calor	14
5.	CONCLUSÃO	16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	17
1. INTRODUÇÃO 
Este trabalho foi elaborado com objetivo de aumentar o conhecimento sobre trocadores de calor, sua usabilidade, suas formas de apresentação, e também sobre possíveis problemas com corrosão e incrustação.
2. TROCADORES DE CALOR
Por definição, trocador de calor nada mais é do que todo equipamento utilizado no aquecimento, resfriamento, evaporação, vaporização e condensação de fluidos nos processos de produção. Utilizando normalmente paredes metálicas (ou não metálicas em alguns casos) para a separação do fluido.
Foi projetado para que haja troca de calor entre os fluidos, fazendo com que a energia produzida no sistema seja conservada como demonstrada nas leis da termodinâmica.
De acordo com Braga Filho (2004, p. 546), podem-se dividir os tipos de trocador de calor de acordo com as características de construção, ou então, de acordo com os tipos de transferência de energia interna que apresenta, assim como apresentado na figura a seguir.
Figura 1 - Classificação de trocadores de calor.
Fonte 1: Fonte Braga Filho, 2004.
7
2.1. Classificação de trocadores de calor por meio de transferência de energia interna
A transferência de energia interna do trocador pode ocorrer de duas formas, com contato indireto ou direto. Sendo que na primeira os fluidos não chegam a ter contato entre sim, apenas realizando a transferência de calor por meio de uma parede. Já a segunda os fluidos entram em contato direto entre sim, sem a necessidade de isolamento.
2.1.1. Contato direto
Na situação de um trocador de calor de contato direto, os fluidos se misturam, pois não há necessidade em mantê-los isolados, portanto ocorre também a transferência de massas. Por esse fato, a taxa de transferência de calor é alta e os equipamentos são baratos.
2.1.2. Contato indireto
· Transferência direta
Os trocadores de transferência direta podem ser chamados também de trocadores de calor de recuperação ou recuperador. Nele, os fluxos dos fluidos envolvidos no processo trocam calor diretamente, conforme figura 2 e 3.
Figura 2 - Diagrama de funcionamento de um trocador de calor por transferência direta.
Fonte 2: Braga Filho, 2004.
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Figura 
3
 
- Equipamento do tipo 
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water
 
chiller
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, trocador de calor por transferência direta.
 
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Fonte 
3
:
 http://inspecaoequipto.blogspot.com
, 2014
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)
· Armazenamento
Os trocadores de armazenamento são constituídos de uma matriz, e é por essa matriz que os fluidos irão percorrer. Porém, os fluidos quentes e frios percorrem alternadamente no processo, de forma com que a matriz absorva energia, e então ela transfere essa energia armazenada para o outro fluido que irá percorrer no interior da matriz, conforme esquema da figura 4.
Figura 4 Esquema de um trocador de calor de armazenamento.
Fonte 4: http://inspecaoequipto.blogspot.com, 2014.
2.2. Classificação por Tipo de Construção
Esse tipo de classificação se refere apenas ao tipo de construção que o trocador de calor é feito. Pode-se classificar em trocadores tipo tubulares e os de placas.
2.2.1. Tubular
Geralmente construídos com tubos circulares, são utilizados para transferência de calor do tipo líquido/líquido, conforme esquematizado na figura 5. Possui bom uso para práticas nas quais apresentam alta pressão e temperatura. São classificados em trocadores de carcaça e tubo, tubo duplo e serpentina. 
· Carcaça e tubo
Esse tipo de trocador é muito utilizado pela sua versatilidade, pois pode ser utilizado em ambientes independente da pressão e temperatura, atmosfera corrosiva, fluidos muito viscosos, entre outros. É composto de uma carcaça e em seu interior, são instalados tubos, conforme exemplificado em figura 5. O fluxo de fluido da carcaça não entra em contato com o fluido dos tubos.
É possível aumentar a quantidade de vezes que o líquido passa nos tubos, antes de voltar ao sistema, e isso é chamado de passes.
Figura 5 - Exemplo de trocador de calor tubular.
Fonte 5: http://inspecaoequipto.blogspot.com, 2014.
· Tubo Duplo
O trocador de calor de tubo duplo apresenta transferência de calor sem contato com os fluidos. Para que isso ocorra existem dois tubos concêntricos um interno ao outro. E são nesses tubos que os fluidos são transportados, transferindo calor de um para o outro, como mostrado na figura 6.
Figura 6 - Exemplo de trocador de calor de tudo duplo.
Fonte 6 - http://www.trocadordecalor.com.br/trocador-de-calor
· Serpentina
Esse tipo de trocador é muito parecido com o tipo tubo, é composto também de uma carcaça, porém, em seu interior, é colocado tubulação em forma de serpentina, assim como é exemplificado na figura 7. Dessa forma a área de contato para a troca entre os fluidos é maior, porém a dificuldade de limpeza desse tipo de equipamento é aumentada.
Figura 7 - Exemplo de trocador de calor de serpentina.
Fonte 7- http://wbraga.usuarios.rdc.puc-rio.br/transcal/Trocadores/Trocs13.htm
2.2.2. Tipo de placa
Composta de placas planas lisas ou com algumas ondulações, como mostra a figura 8. Esse tipo de trocador não suporta pressões muito altas.
Figura 8 - Trocador de calor de placa.
Fonte 8 - http://Materiais utilizados na fabricação de um trocador de calor
3. CORROSÃO
 A corrosão pode ser definida como a redução de um óxido, geralmente é dita como um processo de destruição total, parcial, superficial ou estrutural de determinado material. O processo da corrosão é ativado através do oxigênio ou vapor da água. Existem três formas de corrosão, sendo elaseletroquímica, química e eletrolítica.
· Corrosão eletroquímica – é a forma mais comum, pois ocorre com metais e, geralmente na presença de água. Ela pode se dar quando o metal está em contato com o eletrólito, formando assim uma pilha de corrosão. Ou então, quando dois metais são ligados por um eletrólito, chamado de pilha galvânica. 
· Corrosão química – ataque direto de algum agente químico sobre determinado material, podendo ou não ser um metal. Não é necessária a presença de água e não ocorre transferência de elétrons, como na corrosão eletroquímica. 
· Corrosão eletrolítica – ocorre com a aplicação externa de uma corrente elétrica. Quando não há isolamento ou aterramento, ou estão com alguma deficiência, formam-se correntes de fuga, responsáveis pela formação de pequenos furos nas instalações, quando escapam para o solo. Pode acontecer em tubulações de agua ou petróleo, canos telefônicos e de postos de gasolina. 
Também se encontram fatores que não provocam sozinhos a corrosão, mas podem acelerar o processo. Um exemplo é o gás carbônico, dióxido de enxofre e outras substancias ácidas no ar. Além do ferro, outros metais e ligas metálicas podem sofrer também a corrosão, como a prata que escurece ao longo do tempo, e o cobre, que ganha um aspecto esverdeado ao passar dos anos. 
Figura 9- Ferramenta sofrendo corrosão
Fonte 9: Google imagens, 2018.
3.1. Processo de corrosão que ocorre em um trocador de calor
O trocador de calor é completo por uma variação de peças, cujo cada uma delas possui um metal diferente. No caso de um trocador de calor por placas, podem existir placas de contato em aço inox ou titânio, placas de pressão em ferro fundido ou até mesmo aço carbono comum. Esse último, por sua vez, também pode ser o material da tubulação do trocador do calor. Devido à grande quantidade de materiais empregados, pilhas galvânicas podem e serão criadas, ocasionado corrosão nas tubulações de água salgada. Com tudo isso, alguns quesitos influenciam no processo de corrosão em geral, sendo eles o eletrólito, a diferença de potencial elétrico (metais diferentes) e o contato elétrico. O eletrólito geralmente é ocasionado pela água salgada altamente corrosiva, pela presença de cloro, acelerando a formação de pites. Acontece principalmente em aços inoxidáveis. Além disso, sempre haverá uma diferença de potencial elétrico, conhecida como metais diferentes, considerando que cada metal possui seu potencial. E por último, o contato elétrico, que quando ocorre entre materiais diferentes aceleram por sua vez, ainda mais o processo corrosivo. 
Na foto abaixo permite-se observar um exemplo de processo corrosivo na tubulação de água salgada, na entrada e saída de um trocador de calor por placas.
Figura 10– corrosão em um trocador de calor por placas.
Fonte 10: Engenheiro de materiais, 2018
O monitoramento da corrosão pode ser realizado por diversas técnicas, como ultrassom, cupom de corrosão, sensores e Raios-X. No caso de uma corrosão puntiforme, totalmente oposta a descrita anteriormente, ocorre de um modo diferente. Uma determina região localizada da parede do tubo se expande com uma área mais ativa perante a remoção da camada protetora. A ruptura da parede do tubo é provocada pelo impulso de uma reação eletroquímica, depois da corrosão ser iniciada na região ativa. Em algumas horas, a corrosão consegue progredir facilmente pelas paredes das tubulações.
Figura 11- Corrosão em uma tubulação de um trocador de calor
Fonte 11: Google imagens, eHow Brasil.
3.2. Soluções contra a corrosão no trocador de calor
Para diminuir, minimizar ao máximo e até interromper totalmente o processo corrosivo nessa situação, existem várias opções. A principal ideia é usar uma linha revestida, eliminando o contato do fluido com o metal menos nobre. Essa linha pode ser revestida internamente com borracha ou resina epóxis, prevenindo a formação da pilha galvânica, como mostrada abaixo:
Figura 12– Linha revestida internamente por elastômero
Fonte 12: Google imagens, Linked in, 2018.
Outra solução utilizada é a substituição do tipo de material utilizado na tubulação, modificando as tubulações feitas de aço de carbono por tubulações feitas de compósito de resina epóxi com reforço de fibra de vidro. Com isso, não existiria a chamada pilha galvânica. Na próxima figura, é possível ver essa solução aplicada em um navio sonda. 
Figura 13– Tubulação modificada e reforçada com fibra de vidro
Fonte 13: Google imagens, Linked in, 2018
Na corrosão puntiforme, é necessário o controle da solução que atravessa os tubos do trocador. Com temperatura superior a 35ºC, é necessário diminuir o nível de cloreto. Também é recomendado o uso de aditivos para melhor controle sobre o crescimento de microrganismos, pois se uma camada de micróbio consegue se desenvolver no interior dos tubos, a probabilidade de ocorrer uma corrosão cresce de maneira brusca. 
3. 
4. INCRUSTACAO
O conceito de incrustação pode ser definida como o acumulo de substancias indesejáveis ou basicamente sujeira na superfície de troca térmica. Durante a operação de um trocador de calor, área de troca térmica acaba por se sujar, o que ocasiona resistência térmica e consequentemente, um aumento nos custos de bombeamento, devido à perda de carga do sistema. Assim, para que o sistema se compense com a formação de incrustação no projeto inicial, seriam necessários materiais de maior custo e um plano de limpeza mais robusto (KAKAÇ E LIU, 2002).
Todo o processo de troca térmica possui algum tipo de incrustação, desde o início de seu processo, porem esta pode variar no que chamamos de “taxa de formação” que pode variar de acordo com a temperatura e as propriedades físico-químicas dos fluidos envolvidos no trabalho.
Segundo Kern and Seaton (1959): “A taxa de formação da incrustação pode ser definida com uma simples diferença entre a taxa de deposição e a taxa de remoção”.
4.1 Tipos mais Encontrados De incrustação.
 Introdução aos tipos 
 Nesta seção foram encontrados os principais casos de ocorrência de incrustação na indústria, descrevendo cada tipo de forma resumida, para melhor entendimento do leitor desse artigo.
· Deposição de partículas: Neste mecanismo, tem-se uma grande influência da geometria, pois a deposição se dá pela atuação da força da gravidade. Entretanto, não é verificada de forma acentuada quando a velocidade do escoamento é alta. 
· Cristalização: Este mecanismo está diretamente ligado à temperatura de trabalho. Através do aumento ou diminuição da temperatura pode-se atingir insolubilidade, e assim ocorrer uma cristalização de sais. No refino do petróleo, tem-se a passagem da carga (mistura de vários tipos de petróleo) pelos trocadores antes da torre de destilação. O pré-aquecimento do cru (carga) acontece em duas etapas: uma antes e outra após as dessalgadoras. O objetivo das dessalgadoras é retirar boa parte dos sais presentes no petróleo. Estes sais podem ter sua insolubilidade originada pelo aumento ou diminuição da temperatura, o que complica o controle da cristalização. 
· Solidificação da incrustação: Quando se tem a incrustação, geralmente no estado líquido se movimentando dentro do trocador, poderá ocorrer a solidificação desta incrustação na parede do trocador.
· Incrustação devido à corrosão: Este processo pode ser iniciado pela presença de impurezas ou mesmo pela reação natural dos compostos de oxigênio e hidrogênio. A deterioração e perda de material em um ponto da tubulação seguida pela deposição deste material em outro ponto representa a formação da incrustação devido à corrosão. 
· Formação de incrustação por reação química: Este mecanismo não é uma exclusividade das refinarias. Indústrias químicas e de processamento de alimentos 21 também podem ter este tipo de problema. A deposição dos asfaltenos, oxidação dos óleos lubrificantes, formação de coque durante o craqueamento de hidrocarbonetos leves, formação de lama e deposição de produtos de carvão são as possíveis reações que conduzem à deposição. No caso da formaçãode lama, tem-se como resultado da reação química um polímero geralmente insolúvel. Nos demais casos, têm-se como resultado a deposição do coque, ácidos orgânicos e mais frequentemente grandes moléculas de produtos pesados. 
· Crescimento biológico nas superfícies do trocador de calor: 
Este mecanismo de formação é usualmente identificado quando se trabalha com sistemas aquosos e temperaturas próximas à temperatura ambiente. A presença de material biológico na superfície dos trocadores de calor pode promover outros mecanismos de formação da incrustação. É comum encontrar oxidação junto ao crescimento biológico nas superfícies de trocadores.
4.2 Consequências da incrustação em trocadores de calor:
Perda de eficiência 
As incrustações não alteram somente a capacidade do trocador de calor. Sabe-se que no fim da vida útil, este equipamento chega a perder até 25% de sua capacidade nominal em função da perda de tubos, tamponamentos e por sujeira. Com base nos cálculos de transferência de calor e de acordo com as teorias de Nusselt e Dittus-Boelter, a resistência térmica por condução, ocasionada pela sujeira incrustada na superfície dos tubos, chega a representar 14% do total das resistências, perdendo apenas para a resistência térmica por convecção externa. O valor do coeficiente global de transferência de calor, utilizado para o cálculo da capacidade térmica, está intimamente ligado ao fator de incrustação. Embora a capacidade térmica do trocador seja significativamente alterada a longo prazo, a pior consequência está na eficiência energética. A eficiência enérgica representa custos.
 Custos Financeiros
Segundo Bott (1995), um grande estudo, publicado em 1981, fornece valores de despesa adicional de energia devido à presença das incrustações. A estimativa é de que só nos Estados Unidos, em 1993, este gasto adicional ficou entre 2 e 3 milhões de dólares para uma refinaria com capacidade de 10 mil barris de petróleo por dia. Assim fica claro a importância de se combater este problema nas formas preventivas e corretivas. No primeiro caso, pode-se utilizar aditivos misturados ao petróleo para prevenir a incrustação, enquanto que as paradas programadas para limpeza dos trocadores de calor são realizadas para corrigir o problema. Quanto às despesas adicionais na manutenção de uma bateria de trocadores de calor incrustada, pode-se destacar: o investimento adicional em equipamentos, os custos adicionais de operação, a perda de produtividade e o custo de ações remediadoras. Com relação aos investimentos adicionais de equipamentos, a grande vantagem de ter um trocador trabalhando em regime de espera (stand-by) é a de não consumir combustível em excesso quando ocorrer uma parada para limpeza. Entretanto a aquisição deste trocador majora significativamente o projeto. Sendo assim, existe a necessidade de uma análise mais apurada durante o projeto, no que diz respeito à área de transferência de calor do trocador. A presença da incrustação é sem dúvida uma das causas do aumento dos custos de manutenção. A prova disso é a necessidade de paradas para limpeza. No entanto, os maiores custos relacionados com à incrustação e cuidados com a operação estão na utilização de agentes anti-incrustação. Estes agentes e as substâncias utilizadas na limpeza dos trocadores devem ser tratadas antes de retornar à natureza, acrescendo ainda mais o custo de operação. Os depósitos de material na superfície dos trocadores influenciam diretamente na vazão do petróleo e na eficiência de troca de calor. Isto acarreta em um custo maior com o combustível queimado nos fornos, já que o petróleo chega no forno com uma temperatura abaixo daquela que poderia chegar com os trocadores limpos.
4.3 Imagens demonstrativas incrustações em trocadores de calor
Figura 14 - Incrustação em trocadores de calor.
Fonte 14: Google imagens, Linked in, 2018
Figura 15 - Incrustação em trocadores de calor.
Fonte 15: Google imagens, Linked in, 2018
Nota-se a necessidade da eliminação e prevenção sobre a necessidade de evitar incrustações para que a máquina funcione com mais eficiência e não venha a apresentar mal funcionamento ou até danificações, em alguns casos.
5. CONCLUSÃO
Entalpia, mais conhecida como troca de energia é uma ação física da termodinâmica. Está presente em quase todos os materiais que permitem a troca de calor através de energia. A conclusão de transferência de calor é que a energia térmica está em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Por meio da umidade da atmosfera, feitos químicos e biológicos, ocorre a oxidação. Portanto, deve-se procurar entender e realizar um estudo do projeto que vamos executar, verificar qual a finalidade do mesmo para evitar perdas de material e defeitos posteriores. Em tubulações que sofrem grande pressão e variações excessivas de calor ou exposição a materiais químicos, uma avaliação microscópica e macroscópica deve ser realizada para averiguar possíveis avarias e realizar a substituição devido a incrustação. O engenheiro quando for planejar um projeto, deve avaliar todos os quesitos de segurança possíveis e prevenir todos os problemas que podem vir a surgir.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
TROCADORES de Calor. Disponível em:<http://www.ebah.com.br/
content/ABAAAepdkAC/trocador-calor>. Acesso em: 25 abr. 2018.
TROCADORES de Calor. Disponível em: <http://www.mundomecanico.com.br/w
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BRAGA FILHO, W. Transmissão de Calor. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004.
INDUSTRIAIS, Kurita Soluções de Engenharia Para Tratamento de Águas. Incrustações em Caldeiras: Quais os Principais Mecanismos de Formação de Incrustações?. 2018. Disponível em: <http://kurita.com.br/index.php/artigos-tecnicos/incrustacoes-em-caldeiras-2/>. Acesso em: 06 jun. 2018.
Livro de corrosão, terceira edição, Vicente Gentil, Editora LTC (Livros Técnicos e Científicos Editora S.A), Rio de Janeiro, Brasil, 1996
Apostila sobre os fundamentos da corrosão , Nestor Ferreira de Carvalho, UNISANTA, Santos, São Paulo, Brasil, 2014.
BAUER, A. D., LUNDBERG, M. Choosing materials to solve corrosion problems in the pulp and paper industry, Anti-Corrosion Methods and Materials, v.44, n.3, 1997, p. 161.