OPII cap4

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TROCADORES DE CALOR: 
INTRODUÇÃO
Capítulo 4
1
INTRODUÇÃO
03/2013
Capítulo 4
4.1. Conceito
4.2. Classificação
2
4.2. Classificação
4.3. Seleção
4.4. Utilidades
4.1. Conceito
Trocadores de calor são equipamentos
destinados a promover a transferência de calor
entre correntes, sendo responsáveis pela alteração
3
entre correntes, sendo responsáveis pela alteração
de temperatura e/ou estado físico de correntes
materiais.
4.1. Conceito
Observação:
Trocadores de calor = Heat Exchangers
4
Trocadores de calor = Heat Exchangers
Observação:
Trocadores de calor são também chamados
de permutadores ou intercambiadores de calor
4.1. Conceito
De uma forma mais geral, a transferência de
energia nos trocadores de calor pode ocorrer
envolvendo:
5
- Fluidos
- Sólido / Fluido
- Sistema particulado / Fluido
4.1. Conceito
Observação:
Há trocadores de calor onde há a liberação
de energia térmica em seu interior.
6
de energia térmica em seu interior.
Exemplos:
- Aquecedores elétricos
- Caldeiras
- Fornos
4.2. Classificação
Em função da diversidade de serviços que
executam, os trocadores de calor são construídos
7
executam, os trocadores de calor são construídos
em uma grande variedade de alternativas.
4.2. Classificação
Neste sentido, torna-se interessante
introduzir alguns critérios de classificação:
1 - Utilização
8
2 - Processo de transferência
3 - Número de correntes
4 - Compactação da superfície
5 - Construção
6 - Configuração do escoamento
7 - Mecanismos de transferência de calor
4.2.1. Classificação: Utilização
Trocador de calor
Aquecedor
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Resfriador
Condensador
Vaporizador
4.2.1. Classificação: Utilização
Trocador de calor: Em certas situações este
10
Trocador de calor: Em certas situações este
termo é limitado aos equipamentos destinados à
transferência de calor entre correntes de processo.
4.2.1. Classificação: Utilização
Resfriador: Promove o resfriamento de uma
corrente de processo através de uma utilidade (e.g.
água de resfriamento, se a utilidade possui
temperatura inferior aquela alcançada via água de
11
temperatura inferior aquela alcançada via água de
resfriamento ou ar, utiliza-se o termo chiller).
Aquecedor: Promove o aquecimento de uma
corrente de processo através de uma utilidade (e.g.
vapor saturado).
4.2.1. Classificação: Utilização
Condensador: Equipamento destinado a
promover a mudança de fase (total ou parcial) de
uma corrente de vapor para líquido.
12
uma corrente de vapor para líquido.
Vaporizador: Equipamento destinado a
promover a mudança de fase de uma corrente de
líquido para vapor (quando aplicado a uma coluna
de destilação, é denominado refervedor).
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Contato indireto
13
Contato direto
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Contato indireto: A transferência de calor
ocorre sem que as correntes entre em contato
físico.
14
físico.
Contato direto: A transferência de calor
ocorre com contato físico entre as correntes.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Trocadores de calor de contato indireto:
���� Recuperadores
15
���� Recuperadores
���� Regeneradores
���� Trocadores com leito fluidizado
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
� Recuperadores:
As correntes materiais são separadas por
uma barreira física.
16
uma barreira física.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Recuperadores:
17
Fonte:
www.sysmodeling.com/dsm/images/shell_tube_hx.JPG
Observação:
Representam a maioria dos trocadores
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Recuperadores:
18
Representam a maioria dos trocadores
existentes.
A transferência de calor ocorre através da
passagem alternada de cada corrente sobre uma
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Regeneradores:
19
passagem alternada de cada corrente sobre uma
matriz sólida.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Regeneradores:
20
Regenerador 
com matriz fixa
���� Regeneradores:
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
21
Regenerador 
rotativo
Observação:
Os regeneradores possibilitam uma
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Regeneradores:
22
Os regeneradores possibilitam uma
construção compacta (até 6600 m2/m3), embora
podem ser utilizados apenas para a transferência
de calor entre correntes gasosas a baixa pressão.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
� Trocadores de calor com leito fluidizado:
A transferência de calor ocorre por
intermédio de uma massa de material particulado
fluidizada.
23
fluidizada.
Leito 
fluidizado
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Trocadores de calor com leito fluidizado:
24
Fonte:
http://www.fbhx-usa.com/fbhx.html
Observações:
Nos trocadores de calor de leito fluidizado,
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Trocadores de calor com leito fluidizado:
25
Nos trocadores de calor de leito fluidizado,
devido à presença dos sólidos particulados, é
possível alcançar valores mais elevados para os
coeficientes de transferência. Este tipo de sistema é
muito utilizado em serviços envolvendo reações
químicas.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Trocadores de calor de contato direto:
���� Líquidos imiscíveis
(e.g. condensação de orgânicos)
26
(e.g. condensação de orgânicos)
���� Gás – Líquido
(e.g. torres de resfriamento)
���� Vapor – Líquido
(e.g. dessuperaquecedores)
Trocadores de calor de contato direto:
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Torre de resfriamento
27
Fonte:
www.turbosquid.com
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Trocadores de calor de contato direto:
Direct contact cooler (DCC)
28
Fonte:
http://www.ifandp.com/article/0013831.html
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Trocadores de calor de contato direto:
Dessuperaquecedor
29
Fonte:
http://www.nciweb.net/desuperh.htm
4.2.3. Classificação: Número de correntes
Duas correntes
(maioria das aplicações)
30
(maioria das aplicações)
Mais de duas correntes
(e.g. fracionamento criogênico do ar)
4.2.4. Classificação: Compactação
Compactos
(Gas: > 700 m2/m3, Liq: > 400 m2/m3)
31
(Gas: > 700 m2/m3, Liq: > 400 m2/m3)
(e.g. radiador de um automóvel)
Não compactos
(e.g. trocadores de calor casco-e-tubo)
Observações:
Os trocadores compactos apresentam as
seguintes vantagens:
- Redução do espaço físico (2-D e 3-D)
4.2.4. Classificação: Compactação
32
- Redução do espaço físico (2-D e 3-D)
- Redução de peso (material, fundações)
- Apresentam maiores valores de U
Entretanto, a utilização deste tipo de
trocador é limitada por restrições mecânicas (P e
T). Adicionalmente, estes trocadores são propensos
à oclusão dos canais de escoamento devido à
deposição.
4.2.5. Classificação: Construção
Tubular
Placas
33
Placas
Superfície estendida
Regeneradores
Trocadores tubulares:
Neste tipo de trocador, a superfície de
transferência de calor possui forma tubular.
4.2.5. Classificação: Construção
34
���� Trocadores bitubulares
���� Trocadores casco-e-tubo
���� Trocadores com tubos em espiral
���� Trocadores bitubulares (double pipe):
4.2.5. Classificação: Construção
35
Fonte:
www.specialized-mechanical.com/products/alco_...
���� Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube):
4.2.5. Classificação: Construção
36
Fonte:
http://www.gc3.com/Default.aspx?tabid=90
���� Trocadores com tubo em espiral:
4.2.5. Classificação:Construção
37
Fonte:
http://engineeringoperations.blogspot.com
Trocadores de placas:
Neste tipo de trocador, a superfície de
transferência de calor é formada por placas
paralelas.
4.2.5. Classificação: Construção
38
paralelas.
���� Trocadores de quadro e placas
���� Trocadores de placas soldadas
���� Trocadores de placas em espiral
���� Trocadores lamelares
���� etc.
���� Trocadores de quadro e placas (plate-and frame
ou gasketed-and-plate):
4.2.5. Classificação: Construção
39
Fonte:
http://www.dantherm.com.br/prod_trocador_placas.htm
���� Trocadores de placas soldadas (welded plate):
4.2.5. Classificação: Construção
40
Fonte:
http://www.apiheattransfer.com/us/Products/HeatExchangers
���� Trocadores de placas em espiral:
4.2.5. Classificação: Construção
41
Fonte:
www.mahans.com/misc.htm
Trocadores com superfície estendida:
Neste tipo de trocador, a superfície de
transferência de calor é aumentada através da
4.2.5. Classificação: Construção
42
transferência de calor é aumentada através da
presença de aletas.
���� Trocadores com placas aletadas
���� Trocadores com tubos aletados
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de placas aletadas:
43
Fonte:
www.hydro.com/.../36688/Main%20radiator-455.jpg
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de placas aletadas:
44
Fonte:
www.hydro.com/.../36688/Main%20radiator-455.jpg
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de placas aletadas:
45
Fonte:
http://www.xchanger.com/products_aa.htm
Air cooler
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
46
Fonte:
http://www.fintube.com/images/solder1.gif
http://www.profins.com/images/kl_fin.gif
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
47
Fonte:
http://www.daeryungco.com/product_fintube_al.htm
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
48
Fonte:
http://www.jfdcoil.com/p-repairs.html
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
49
Fonte:
www.kavehmobadel.com/aircooler_en.html
Air
cooler
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
50
Fonte:
http://www.profins.com/images/kl_fin.gif 
Regeneradores:
Neste tipo de trocador, a transferência de
calor entre as duas correntes se dá através de uma
4.2.5. Classificação: Construção
51
calor entre as duas correntes se dá através de uma
matriz sólida que entra em contato com uma
corrente de cada vez de forma periódica.
- Regeneradores com matriz fixa
- Regeneradores rotativos
���� Regeneradores com matriz fixa:
4.2.5. Classificação: Construção
52
Fonte:
www.tutorvista.com/.../hearth-process.php
Fonte:
���� Regeneradores com matriz fixa:
4.2.5. Classificação: Construção
53
Fonte:
http://iopscience.iop.org/0268-1242/18/5/318
Fonte:
���� Regeneradores com matriz fixa:
4.2.5. Classificação: Construção
54
Fonte:
http://students.chem.tue.nl/ifp41/moreinfo/rto.htm
Fonte:
���� Regeneradores rotativos:
4.2.5. Classificação: Construção
55
Fonte:
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_wheel
���� Regeneradores rotativos:
4.2.5. Classificação: Construção
56
Fonte:
http://www.spx.com
���� Regeneradores rotativos:
4.2.5. Classificação: Construção
57
Fonte:
www.wilsonturbopower.com
���� Regeneradores rotativos:
4.2.5. Classificação: Construção
58
Fonte:
http://www.datacenterknowledge.com/archives/2008/11/14...
Fonte:
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
Contracorrente
Cocorrente
59
Cocorrente
Cruzado
Múltiplos passes
Outros
Escoamento contracorrente:
As correntes escoam em sentido contrário ao
longo do equipamento.
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
60
Escoamento paralelo ou cocorrente:
As correntes escoam no mesmo sentido ao
longo do equipamento.
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
61
Escoamento cruzado:
As correntes escoam em direções
perpendiculares ao longo do equipamento.
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
62
Escoamento com múltiplos passes:
Uma das correntes, pelo menos, apresenta
mais de um passe ao longo do escoamento
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
63
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
Trocadores sem mudança de fase
64
Trocadores com mudança de fase
Trocadores com convecção e radiação
Trocadores sem mudança de fase:
- Gás-Gás
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
65
- Gás-Líquido
- Líquido-Líquido
Trocadores com mudança de fase:
- Condensação de um vapor através de um
líquido, gás ou fluido em vaporização
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
66
líquido, gás ou fluido em vaporização
- Vaporização de um líquido através de um
líquido, gás ou fluido em condensação
Trocadores com convecção e radiação:
- Fornos, caldeiras, etc.
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
67
4.3. Seleção
A partir das características do serviço
térmico a ser executado (carga térmica, vazão,
temperatura, pressão e composição das correntes)
68
temperatura, pressão e composição das correntes)
pode-se selecionar o tipo de trocador mais
adequado.
4.3. Seleção
Apesar do custo ser um aspecto importante
na seleção, deve-se levar em conta com cuidado
questões associadas à confiabilidade e manutenção
do equipamento.
69
do equipamento.
Um aspecto importante que deve ser
considerado na seleção é a análise da experiência
operacional em relação a serviços semelhantes.
4.3. Seleção
Visão geral:
Trocadores casco-e-tubo:
É o tipo de trocador mais utilizado na
70
É o tipo de trocador mais utilizado na
indústria de processos químicos devido à sua
versatilidade, robustez e confiabilidade.
4.3. Seleção
Visão geral:
Trocadores bitubulares:
Adequados para serviços de menor
71
Adequados para serviços de menor
magnitude (até 50 m2 a 100 m2).
4.3. Seleção
Visão geral:
Trocadores de placas:
Em geral, são uma alternativa mais barata
72
Em geral, são uma alternativa mais barata
aos trocadores casco-e-tubo, entretanto possuem
maiores restrições em relação à T e P de projeto,
devido às limitações das gaxetas. Usualmente, não
são utilizados para correntes gasosas.
4.3. Seleção
Visão geral:
Resfriadores a ar (air coolers):
Podem ser utilizados em substituição
73
Podem ser utilizados em substituição
resfriadores do tipo casco-e-tubo, eliminando a
necessidade de água de resfriamento.
4.4. Utilidades
Utilidades são correntes auxiliares
empregadas na indústria de processos químicos.
Do ponto de vista de serviços de troca
térmica, é possível citar:
74
térmica, é possível citar:
⇒⇒⇒⇒ Utilidades quentes: vapor d´água, forno, óleo
térmico, aquecimento elétrico, etc.
⇒⇒⇒⇒ Utilidades frias: água de resfriamento, air
cooler, sistemas de refrigeração (“chiller”), etc.
É o principal meio de fornecimento de
energia utilizado em plantas de processo.
Pode ser empregado como vapor
4.4.1. Utilidade quente: Vapor d´água
75
superaquecido (superheated steam) para a
realização de trabalho em turbinas/turbogeradores
ou como vapor saturado (saturated steam) para
serviços de aquecimento em trocadores de calor.
Em uma planta é comum a utilização de
vapor em diferentes níveis de pressão (e.g. vapor
de alta, média e baixa pressão).
Vapor também pode ser utilizado em uma
série de outros serviços:
- Geração de vácuo (e.g. ejetores);
4.4.1. Utilidade quente: Vapor d´água
76
- Matéria-prima (e.g. reação de reforma);
- Stripping (e.g. destilação de petróleo);- Esterilização (e.g. dornas de fermentação);
- Diluição (e.g. fornalhas de pirólise).
O vapor é usualmente gerado em
equipamentos denominados caldeiras, onde a
energia liberada na queima de um combustível é
empregada para vaporizar água (BFW).
4.4.1. Utilidade quente: Vapor d´água
77
empregada para vaporizar água (BFW).
Alternativamente, o vapor também pode ser
produzido através da recuperação de calor oriundo
de correntes de processo.
O vapor é distribuído para os diversos
equipamentos em uma planta através de um
sistema de tubulações. Associado a este sistema, há
também um outro conjunto de tubulações
4.4.1. Utilidade quente: Vapor d´água
78
também um outro conjunto de tubulações
responsável pelo retorno do condensado.
Fonte: http://www.spiraxsarco.com
Fornos são equipamentos onde correntes de
processo são aquecidas diretamente através da
queima de um combustível.
4.4.2. Utilidade quente: Forno
79
Em geral, fornos são utilizados quando é
necessário transferir calor a temperaturas muito
elevadas (e.g. >500 ºF) e/ou com altas cargas
térmicas.
4.4.2. Utilidade quente: Forno
80
No nosso curso, fornos serão estudados no
Capítulo 13.
Fonte: http://www.oilngasseparator.info
Óleos térmicos são fluidos utilizados para a
distribuição de energia. Podem ser uma alternativa
vantajosa em relação à utilização de vapor (e.g.
elevadas temperaturas).
4.4.3. Utilidade quente: Óleo térmico
81
elevadas temperaturas).
Fonte: http://www.thame-energy.com
Devido ao seu maior custo, o aquecimento
elétrico é utilizado de forma muito limitada em
plantas de processo.
4.4.4. Utilidade quente: Aquecimento elétrico
82
Fonte: 
http://www.namdaran.ir/Site/EN/Electrical%20Heater.html
Água de resfriamento é o principal meio de
remoção de calor em plantas de processo.
Os sistemas de água de resfriamento podem
4.4.5. Utilidade fria: Água de resfriamento
83
Os sistemas de água de resfriamento podem
ser abertos (não há recirculação de água), fechados
(há recirculação total de água) ou semi-abertos (há
recirculação de água onde o calor é rejeitado para
o ambiente através de uma torre de resfriamento).
4.4.5. Utilidade fria: Água de resfriamento
84
Os sistemas de água de resfriamento serão
estudados no nosso curso no Capítulo 12.
Fonte: 
http://www.globalspec.com/learnmore/manufacturing_process_equipment/
Resfriadores a ar (air coolers) são trocadores
de calor que resfriam correntes de processo através
da transferência de calor diretamente com o ar.
4.4.6. Utilidade fria: Air cooler
85
Podem ser uma alternativa vantajosa em
relação à utilização de água de resfriamento,
particularmente se há restrições relativas ao
fornecimento de água na área industrial.
4.4.6. Utilidade fria: Air cooler
86
Air coolers serão estudados no nosso curso
no Capítulo 8.
Fonte:
http://www.globalspec.com/reference/81438/203279/chapter-17-air-coolers-
fin-fan-coolers
Quando é necessário resfriar uma corrente
de processo a uma temperatura inferior aquela
alcançada através de água de resfriamento/ar
atmosférico, torna-se necessário utilizar um
4.4.7. Utilidade fria: Sistemas de refrigeração
87
atmosférico, torna-se necessário utilizar um
sistema de refrigeração (chiller).
Neste tipo de sistema, através de um ciclo de
refrigeração, é possível alcançar baixas
temperaturas, embora com uma necessidade maior
de consumo de energia elétrica.