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Universidade Federal do Espírito Santo Centro Universitário Norte do Espírito Santo Departamento de Engenharias e Computação Curso de Graduação em Engenharia Química TROCADOR DE CALOR Alexandre Ferreira Lombardi Ana Priscila Landivar Ribeiro Douglas José de Araújo Henrique Nunes Lamas da Silva Victor Rocon Covre São Mateus 2011 1 Universidade Federal do Espírito Santo Centro Universitário Norte do Espírito Santo Departamento de Engenharias e Computação Curso de Graduação em Engenharia Química TROCADOR DE CALOR Alexandre Ferreira Lombardi Ana Priscila Landivar Ribeiro Douglas José de Araújo Henrique Nunes Lamas da Silva Victor Rocon Covre Trabalho apresentado à disciplina de Ciência da Informação I, do curso de graduação em Engenharia Química da Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Universitário Norte do Espírito Santo, sob a supervisão da professora Ana Beatriz Neves Brito e da professora Sandra Mara Santana Rocha São Mateus 2011 2 Sumário 1 - Introdução 3 2 - O Trocador de Calor 4 2.1 - Objetivo 4 2.2 - Funcionamento 4 2.2.1 - Pela mistura de fluidos 4 2.2.2 - Com armazenagem intermediária 4 2.2.3 - Através de uma parede que separa os fluidos 4 2.3 - Figuras do Equipamento 5 2.4 - Representação esquemática em fluxograma 6 2.5 - Principais Tipos de Trocadores de Calor 6 2.5.1 - Duplo tubo 6 2.5.2 - Casco e Tubo 7 2.5.3 - De Placas 7 2.6 - Aplicações na Indústria 8 2.7 - Manuntenção 9 2.8 - O que um Engenheiro Precisa Saber 10 3 - Conclusão 11 4 - Referências Bibliográficas 12 3 1 - Introdução Os trocadores de calor são equipamentos de extrema importância para a engenharia. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos campos da indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, ou em aquecimento e condicionamento de ar. Existem também aplicações domésticas bastantes comuns como em geladeiras e ar condicionados. Esse equipamento foi projetado para trocar calor entre fluidos, segundo as leis da termodinâmica, e, portanto proporcionar o reaproveitamento da energia térmica presente nos fluidos quentes. Dessa forma, ao conservar a energia, os trocadores de calor tornam-se importantes ferramentas para a preservação do meio ambiente. 4 2 - O Trocador de Calor 2.1 - Objetivo O trocador de calor é um equipamento com a finalidade de realizar o processo de troca térmica entre dois sistemas, fluído quente e fluído frio. Essa troca pode ser feita entre sistemas separados ou misturando os fluídos. Este processo é amplamente aplicado em diversos setores da engenharia, como, por exemplo, 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. 2.2 - Funcionamento Existem três princípios diferentes em que se baseiam os trocadores de calor, sendo o último o mais comum na indústria, pois não há contato entre os dois fluídos, e assim podem ser reaproveitados. Os demais possuem aplicações específicas. 2.2.1 - Pela mistura de fluidos Dois fluidos de temperaturas diferentes se misturam num único sistema, alcançando uma mesma temperatura final. Pode ocorrer tanto em ambiente aberto, quanto em sistema fechado. 2.2.2 - Com armazenagem intermediária Os fluidos quente e frio são escoados alternadamente na mesma passagem. Quando o fluido quente atravessa a passagem, o calor é armazenado na parede e no enchimento do trocador, em seguida o fluido frio atravessa o trocador de calor e absorve o calor armazenado. Geralmente esse método é usado em gases. 2.2.3 - Através de uma parede que separa os fluidos Os fluidos escoam no trocador sem contato direto, através de tubulações distintas, separadas por paredes de alta condutibilidade térmica. Geralmente essas paredes são feitas de metais, como o cobre e o alumínio, ou ligas metálicas. Wallas'SouzaH Realce 5 O escoamento pode ser dado de duas formas, em correntes paralelas, em que os dois fluidos entram do mesmo lado do trocador e fluem no mesmo sentido, ou entram em lados opostos e fluem em sentido contrário; ou em correntes cruzadas, onde os fluidos escoam perpendicularmente. De modo geral, o escoamento em corrente cruzada é bastante aplicado em aquecimento de gases e sistemas de refrigeração. 2.3 - Figuras do Equipamento Figura 2.3.1 - Trocadores de calor do tipo casco e tubo modelo Basco Type 500 Fonte: API Heat Transfer Figura 2.3.2 - Trocadores de calor de placas modelo Schmidt Gasketed Fonte: API Heat Transfer Figura 2.3.3 - Trocadores de calor do tipo duplo tubo modelo Basco Hairpin Fonte: API Heat Transfer 6 2.4 - Representação esquemática em fluxograma 2.5 - Principais Tipos de Trocadores de Calor Na indústria de processos químicos, o princípio mais aplicado é o de troca de calor sem contato direto entre os fluidos. Os principais tipos são: 2.5.1 - Duplo tubo O trocador de calor tipo duplo tubo segue o princípio de funcionamento com fluidos sem contato direto, pode ser tanto corrente paralela ou correte cruzada. Ele é Figura 2.4.1 - Representação esquemática de um trocador de calor em fluxograma Fonte: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 7 composto por dois tubos concêntricos, um inserido no outro. Tanto o fluido quente quanto o fluido frio pode escoar no tubo interno. As principais vantagens desse tipo são a facilidade de construção e de montagem, ampliação de área, facilidade de manutenção e de acesso para limpeza. 2.5.2 - Casco e Tubo O trocador de calor tipo casco e tubo também segue o princípio de funcionamento no qual não há contato direto entre fluidos. Este equipamento possui tubos em seu interior, onde circula um dos fluidos, enquanto o outro circula entre o casco e as paredes dos tubos. Para garantir uma maior transferência de calor, o fluido que circula externamente é desviado por placas dispostas de modo transversal no interior da carcaça, como mostra a figura 2.5.1. Este tipo de trocador é de amplo uso na indústria de processos químicos, além disso, é de fácil limpeza e de menor custo. 2.5.3 - De Placas O trocador de calor deste tipo é formado por placas de metal enfileiradas, que são unidas por compressão, e sustentadas por barras. Essas placas possuem aberturas, tanto na parte superior quanto na inferior, para o escoamento dos fluidos, onde um dos fluidos circula pelo lado direito e o outro pelo esquerdo, em corrente em sentidos opostos. Entre as placas existem gaxetas – borrachas de vedação – que formam uma espécie de tubo por onde os fluidos escoam. Essas gaxetas estão dispostas de forma que permitam a passagem alternada dos fluidos entre as placas. Existem placas dos tipos planas, aletadas, espirais, entre outros. Figura 2.5.1 - Esquema de trocador de calor do tipo casco e tubo Fonte: Universidade Federal de Minas Gerais Wallas'SouzaH Realce Wallas'SouzaH Realce 82.6 - Aplicações na Indústria Os trocadores de calor são fundamentais na indústria e nas pesquisas científicas. São exemplos de trocadores de calor, as torres de refrigeração de água, refrigeração em geral, recuperadores, condensadores e caldeiras. Também é utilizado na produção de bebidas destiladas. 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. Na refrigeração em geral, usa-se dois trocadores de calor em sistema fechado, com um único gás, o fréon (um fluorcarboneto não inflamável qualquer). Inicialmente, o gás frio passa por um compressor e se torna um gás de alta pressão, e assim sua temperatura aumenta. Então ele passa pelo primeiro trocador de calor, no qual ele perde calor para o meio externo. Em seguida, ele passa por Figura 2.5.2 - Esquema de trocador de calor de placas Fonte: Almathi Figura 2.6.1 - Esquema de torre de refrigeração Fonte: MPSC Engenharia Wallas'SouzaH Realce 9 uma válvula e se expande, fazendo com que sua temperatura diminua e fique menor do que antes de ser comprimido. Esse gás frio, passa pelo segundo trocador de calor, resfriando um determinado ambiente. Após atravessar o trocador, ganha temperatura e retorna ao compressor, dando continuidade ao ciclo. 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. 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. 2.7 - Manuntenção Para que a integridade do trocador de calor seja mantida, é preciso que haja uma freqüente inspeção de suas peças. Para verificar se as paredes do trocador estão em bom estado usa-se dois métodos, o método do gás hélio e o método da corrente parasita. O método do gás hélio consiste em encher o trocador com o gás e verificar se ocorreu vazamento, através de um espectrômetro de massa, que mede a concentração do gás. Esse método é capaz de detectar e medir micro vazamentos. O método da corrente parasita baseia-se em aplicar um forte campo eletromagnético no trocador de calor, gerando correntes de Foucault (correntes circulares formadas nas paredes do trocador). Essas correntes são medidas e, se estiverem abaixo do padrão, indicam um dano na estrutura metálica. Outro problema freqüente com trocadores de calor é a incrustação, ou seja, a precipitação de impurezas na superfície dos tubos quando ocorre a passagem dos fluidos. Ela pode ser agravada pela falta de limpeza regular do trocador e/ou do seu uso freqüente. A incrustação prejudica o rendimento do trocador de calor ao diminuir o contato entre fluido e a parede do trocador. Para retirar a incrustação é necessário o uso de produtos químicos capazes de reagir com ela. Como esses produtos Figura 2.6.2 - Diagrama do ciclo de refrigeração Fonte: How Stuff Works 10 químicos podem corroer o equipamento e também contaminar o fluido, é melhor manter a limpeza regular do trocador. Trocadores de calor de placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente. Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por métodos como a limpeza ácida, jateamento e jato de água de alta pressão. 2.8 - O que um Engenheiro Precisa Saber O engenheiro que vai projetar ou avaliar um trocador de calor deve ter conhecimento sobre algumas variáveis envolvidas no processo. As principais variáveis de processo num equipamento de troca térmica são: A natureza dos fluidos que percorrem o trocador: por exemplos, eles podem ser corrosivos, tóxicos, ou alimentícios, cada um com um tratamento específico; As temperaturas dos fluidos na entrada e na saída do trocador: elas determinam o valor do potencial térmico do trocador; As pressões de operação: cada processos necessita de uma pressão específica, como para a condensação de determinados fluidos. Essa pressão precisa ser suportada pelo equipamento; A velocidade de escoamento: se a velocidade de escoamento for alta, a turbulência do fluido será maior, e, portanto a área do trocador necessária para uma dada carga térmica será menor. Por outro lado, essa turbulência provoca um atrito maior e assim uma perda da carga maior; A sujeira: o depósito de materiais indesejáveis no trocador dificulta a troca de calor. Caso haja muita sujeira, deve-se escolher um modelo de trocador de fácil limpeza; Localização dos fluidos: para um trocador tipo casco e tubos, a localização dos fluidos se relaciona com a limpeza e manutenção do equipamento. O fluido mais “sujo” deve escoa no tubo, onde o trecho é reto e assim a turbulência é menor, evitando as incrustações. Wallas'SouzaH Realce Wallas'SouzaH Realce 11 3 - Conclusão Os trocadores de calor não apenas realizam trocas térmicas, mas também são responsáveis pelo melhor aproveitamento energético nas indústrias. Um trocador bem projetado e adequadamento 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. Wallas'SouzaH Realce 12 4 - Referências Bibliográficas HOLMAN, J. P. Transferencia de Calor. 8ª edição. Madrid: Concepción Fernández Madrid, 1998. MARTINELLI JÚNIOR, L. C. Transferência de Calor Parte V: Trocadores de Calor. 2000. Trabalho Acadêmico – Unijuí, Ijuí. DE OLIVEIRA, G. A. Dimensionamento de um Trocador de Calor Tipo Casco e Tubos. 2010. Trabalho Acadêmico (Graduação em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS. Departamento de Engenharia Mecânica. Trocadores de Calor: documento de trabalho. Belo Horizonte. Disponível em: <http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/index.htm>. Acesso em: 11 abr. 2011.
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