TROCADORES DE CALOR DE PLACAS

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TROCADORES DE CALOR DE PLACAS
Capítulo 7
1
DE PLACAS
08/2017
Capítulo 7
7.1. Conceito
7.2. Estrutura
7.3. Componentes Mecânicos
2
7.4. Aplicações
7.5. Vantagens e Desvantagens
7.6. Considerações sobre o Projeto
7.7. Considerações sobre a Operação
7.8. Comportamento Termofluidodinâmico
7.1. Conceito
Trocadores de calor de placas
(Gasketed-plate heat exchangers,
Plate and frame heat exchangers)
3
A superfície de transferência de calor nestetipo de equipamento é formada por um conjuntode placas metálicas corrugadas, onde as correntesde fluido escoam através dos canais formados peloespaçamento entre placas adjacentes.
7.2. Estrutura
4
Fonte:
http://www.tranter.com/Pages/products/plate-heat-exchangers
7.2. Estrutura
5
Fonte:www.alfalaval.com
7.2. Estrutura
6
Fonte:
Gut , 2003
7.2. Estrutura
7
Fonte:
http://www.heatexchangesolutions.com/industrial-heat-exchanger.html
http://instrumentations.blogspot.com.br/2010_10_01_archive.html
7.2. Estrutura
8
Fonte:
http://www.tranter.com/Pages/products/plate-heat-exchangers
7.2. Estrutura
9
Placas térmicas(Thermal plates)
7.2. Estrutura
10
Placas terminais(End plates)
7.2. Estrutura
Placa móvel / Cabeçote móvel (Pressure plate)
11
Placa fixa / Cabeçote fixo (Fixed frame)
7.2. Estrutura
Barramento superior (Carrier bar)
12
Barramento inferior (Guide bar)
7.2. Estrutura
13
Coluna traseira (End support column)
7.2. Estrutura
14
Canais coletores
7.2. Estrutura
Estrutura:
15
Fonte:
GEA , 2006
Uma característica importante da estruturados trocadores de placas é a maior facilidade deabertura do trocador para acesso à área de troca
7.2. Estrutura
16
térmica, possibilitando assim a limpeza ou mesmoa substituição das placas.
7.2. Estrutura
17
Fonte:
http://yzpanstar.en.made-in-china.com
7.2. Estrutura
18
Fonte:
http://www.dantherm.com.br/prod_trocador_placas.htm
http://www.wcr-regasketing.com/phe-efficiency.htm
7.2. Estrutura
19
Fonte:
http://www.youtube.com/watch?v=Hi2DG69ZjwQ&feature=related
7.3. Componentes Mecânicos
Os principais componentes mecânicos dostrocadores de calor de placas podem serencontrados nas seguintes faixas de dimensões:
20
Largura da placa (m): até 1,1
Altura da placa (m): até 4,3
Número de placas: até 700
Área de uma placa (m2): 0,01 a 3,6
Área total de transferência (m2): até 2500
As placas para transferência de calorcorrespondem a placas metálicas corrugadas comespessura de 0,5 mm a 1,2 mm.
7.3.1. Placas
21
Estas placas são mantidas afastadas a umadistância de 2 mm a 5 mm, correspondendo a umdiâmetro equivalente do canal de escoamento de 4mm a 10 mm.
As placas são em geral fabricadas em açoinox (316), entretanto deve-se estar atento que oaço inox é atacado quando na presença de cloretos.
7.3.1. Placas
22
Alternativamente, as placas também podemser fabricadas com outros materiais, e.g., cobre,alumínio, titânio, inconel, etc.).
Aço carbono é raramente utilizado devido àsua baixa resistência à corrosão.
7.3.1. Placas
23
Fonte:
www.gea.co.za
7.3.1. Placas
24
Fonte:
Gut , 2003
Há uma variedade de modelos de placas deacordo com diferentes padrões de corrugação.
As corrugações promovem turbulência no
7.3.1. Placas
25
As corrugações promovem turbulência noescoamento, aumentando desta forma oscoeficientes de transferência. As corrugaçõestambém contribuem para uma maior resistênciamecânica das placas.
7.3.1. Placas
26
Fonte:
http://www.tranter.com/Pages/products/plate-heat-exchangers
O padrão de corrugação mais comum échamado de Chevron ou herringbone (“espinha depeixe”).
7.3.1. Placas
27
peixe”).
Outro padrão também utilizado com certafrequência corresponde às placas do tipointermating ou washboard (“tábua de lavar”).
Placa corrugada tipo Chevron:
7.3.1. Placas
28Fonte: www.ittstandard.com/pdf/BRZBRO.PDF
Placa corrugada tipo Intermating:
7.3.1. Placas
29Fonte: www.tmec.co/tmecadvisor_articles
7.3.1. Placas
30
Fonte:
Gut , 2003
O direcionamento dos fluidos através doscanais de escoamento e a vedação para que nãohaja vazamentos são garantidos através dainserção adequada de gaxetas entre placas
7.3.1. Placas
31
inserção adequada de gaxetas entre placasadjacentes.
Fonte: http://www.vikasrubber.com
7.3.1. Placas
32Fonte: http://www.busytrade.com
7.3.1. Placas
33Fonte: http://www.sz-promo.com/
7.3.1. Placas
34Fonte: www.foodprocessing-technology.com
7.3.1. Placas
35
Fonte: http://ln-success.en.alibaba.com
http://www.wassertech.net/content/view/15/51/lang,thai/
As placas podem ser organizadas dediferentes maneiras, propiciando váriasalternativas de número de passes para cada
7.3.1. Placas
36
alternativas de número de passes para cadacorrente (considera-se um passe quando umacorrente atravessa o trocador verticalmente).
Por exemplo: 1/1, 2/2, 2/1, etc.
7.3.1. Placas
Arranjo 1-1:
37Contracorrente
7.3.1. Placas
Arranjo 1-1:
38Cocorrente
7.3.1. Placas
Arranjo 2-2:
39
7.3.1. Placas
Arranjo 2-1:
40
7.4. Aplicações
Os trocadores de placas, tradicionalmenteutilizados nas indústrias de alimentos, têm ganhocada vez mais espaço na execução de diversosserviços em indústrias químicas e petroquímicas.
41
serviços em indústrias químicas e petroquímicas.
Uma restrição importante ao seu uso consistena faixa de condições operacionais adequadas asua operação, limitada pela resistência das gaxetasa vazamentos.
7.4. Aplicações
Em geral, pode-se estabelecer os seguinteslimites de severidade relativos às condiçõesoperacionais do serviço para utilização detrocadores de placas:
42
trocadores de placas:
Pressão < 30 bar
Temperatura < 180 ºC
7.4. Aplicações
Os trocadores de placas são principalmenteutilizados para operações envolvendo líquidos, ouaté mesmo, condensação e vaporização. Seu
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até mesmo, condensação e vaporização. Seuemprego é menos comum em serviços envolvendocorrentes gasosas.
No caso de valores mais limitados de quedade pressão disponível, a utilização de trocadores deplacas também apresenta restrições.
7.4. Aplicações
Alternativamente, há trocadores de calor deplacas soldadas ou semi-soldadas onde não há autilização de gaxetas (gasketless heat exchangers).
44
utilização de gaxetas (gasketless heat exchangers).
Entretanto, nestes casos, não é possível abriro trocador para efetuar a limpeza mecânica dasplacas.
Exemplos: Compabloc, Packinox, etc.
7.5. Vantagens e Desvantagens
Em várias situações, os trocadores de placas,quando comparados a trocadores de calor casco-e-
 Investimento:
45
quando comparados a trocadores de calor casco-e-tubo, permitem executar um determinado serviçotérmico a um custo significativamente inferior.
Em trocadores de calor de placas, é possívelalcançar valores de coeficientes de convecção atétrês vezes maiores que em trocadores de calor
 Desempenho térmico:
7.5. Vantagens e Desvantagens
46
três vezes maiores que em trocadores de calorcasco-e-tubo em condições equivalentes.
Este desempenho privilegiado pode serexplicado pela turbulência promovida pelascorrugações no escoamento entre as placas,ausência de correntes de vazamento e diminutosvalores de diâmetro equivalente.
Em função da sua alta efetividade, é possível
 Desempenho térmico:
7.5. Vantagens e Desvantagens
47
Em função da sua alta efetividade, é possívelutilizar trocadores de placas em serviços comapproaches significativamente pequenos, de até 2ºC.
Através da inclusão ou retirada de placas, aárea de troca térmica pode ser facilmente
 Flexibilidade:
7.5. Vantagens e Desvantagens
48
área de troca térmica podeser facilmentemodificada.
Os trocadores de calor de placas são maiscompactos, reduzindo sensivelmente o espaçoocupado em relação a uma determinada área de
 Espaço físico:
7.5. Vantagens e Desvantagens
49
ocupado em relação a uma determinada área detroca térmica ( m2/m3).
Através da utilização de placas conectoras, épossível transferir calor entre três ou mais fluidos,abrindo a possibilidade de diminuição do númerode equipamentos térmicos necessários para aexecução de um determinado serviço.
Os problemas de deposição são reduzidosatravés do uso de trocadores de placas (autoressugerem adotar resistências de depósito
 Deposição:
7.5. Vantagens e Desvantagens
50
sugerem adotar resistências de depósitoequivalentes a no máximo 20% dos valoresrelativos a trocadores casco-e-tubo).
Este fato ocorre devido à alta turbulência,ausência de espaços mortos nos canais e baixotempo de residência dos fluidos no interior doequipamento.
Entretanto, em correntes contendo materialem suspensão com partículas de maior diâmetro
 Deposição:
7.5. Vantagens e Desvantagens
51
em suspensão com partículas de maior diâmetropode ocorrer o bloqueio do canais de escoamento.
Neste casos, pode ser útil a instalação dedispositivos para a eliminação destas partículasantes do trocador ou a adoção de placasespecialmente projetadas para lidar com este tipode material particulado.
Caso seja necessário, é possível abrir otrocador e efetuar a limpeza em ambos os lados da
Manutenção:
7.5. Vantagens e Desvantagens
52
trocador e efetuar a limpeza em ambos os lados dasuperfície de troca térmica.
Placas danificadas também podem serfacilmente substituídas.
Trocadores de calor de placas resistem a
 Integridade estrutural:
7.5. Vantagens e Desvantagens
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Trocadores de calor de placas resistem achoques térmicos e não apresentam problemas devibração. Entretanto, podem ser prejudicados porvariações bruscas de pressão.
Devido a restrições nas gaxetas, trocadores
 Limitação de uso:
7.5. Vantagens e Desvantagens
54
Devido a restrições nas gaxetas, trocadoresde placas não podem ser utilizados em condiçõesde operação mais severas.
Trocadores de calor de placas implicam em
 Perda de carga:
7.5. Vantagens e Desvantagens
55
Trocadores de calor de placas implicam emvalores mais elevados de queda de pressão.
A identificação de vazamentos devido a furos
 Vazamentos:
7.5. Vantagens e Desvantagens
56
A identificação de vazamentos devido a furosnas placas pode ser uma tarefa difícil.
7.6. Considerações sobre o Projeto
As metodologias de cálculo mais rigorosassão mantidas em sigilo pelo fabricantes detrocadores de placas, não havendo interesse em sua
57
trocadores de placas, não havendo interesse em suadivulgação. Adicionalmente, os cálculos térmicos ehidráulicos envolvem correlações específicas paracada layout de placa.
Desta forma, é comum basear odimensionamento deste tipo de unidade através de
7.6. Considerações sobre o Projeto
58
consultas a fabricantes ou a utilização de softwaresdisponibilizados pelos mesmos.
Velocidade de escoamento nos canais:
0,4 m/s a 1,0 m/s
7.6. Considerações sobre o Projeto
 Velocidades de escoamento:
59
0,4 m/s a 1,0 m/s
Velocidade de escoamento nos orifícios:
< 20 ft/s
7.7. Considerações sobre a Operação
Um trocador de calor pode sofrerproblemas operacionais que irão prejudicar odesempenho do equipamento.
60
desempenho do equipamento.
A equipe de operação deve estar atentapara evitar que estes problemas ocorram e, casoseja verificada uma anormalidade, sejamtomadas as medidas corretivas necessárias.
Como todo trocador de calor, a deposiçãopode prejudicar o desempenho de um trocador deplacas.
 Deposição:
7.7. Considerações sobre a Operação
61
placas.
Fonte:
http://ethanolproducer.com/articles/10440/efficiency-gains-possible-through-optimal-heat-transfer
Devido à possibilidade de oclusão dos canais,recomenda-se na partida de um trocador de placasa instalação de um filtro provisório ou mesmo o
 Deposição:
7.7. Considerações sobre a Operação
62
a instalação de um filtro provisório ou mesmo oby-pass do equipamento.
Fonte:
http://www.syska.com/cms/docs/articles
Deve-se proteger o trocador de picos depressão para se evitar danos às gaxetas, evitando-
 Picos de pressão:
7.7. Considerações sobre a Operação
63
pressão para se evitar danos às gaxetas, evitando-se variações de pressão superiores à 150 psi/min.
Vazamentos em trocadores de calor de placaspodem ocorrer por diversas razões:
- Problemas na fixação do flange;
 Vazamentos:
7.7. Considerações sobre a Operação
64
- Problemas na fixação do flange;
- Aperto insuficiente do pacote de placas;
- Gaxeta danificada, mal colada ou deslocada;
- Material particulado junto à gaxeta;
- Placa terminal furada;
- Montagem errada, etc.
 Vazamentos:
7.7. Considerações sobre a Operação
65
Fonte:
http://www.standard-xchange.com/Tools/Library/Upload/Project6/STD_%20X_%20Plateflow_Plate_and_Frame_Installation_Operation_Maintenance%20.pdf
7.8. Comportamento Termofluidodinâmico
Nesta disciplina, vamos discutir umametodologia de cálculo baseada nos trabalhos deBond (1981) e Kumar (1984), válida para
66
Bond (1981) e Kumar (1984), válida paratrocadores com placas do tipo Chevron semmudança de fase.
 Ângulo Chevron ():
7.8.1. Parâmetros geométricos
67
 Ângulo Chevron ()
Faixa: 25º a 65º
Menores ângulos estão associados a maiores
7.8.1. Parâmetros geométricos
68
Menores ângulos estão associados a maiorescoeficientes de convecção e também maioresvalores de perda de carga. Ângulos maiores tem oefeito contrário.
Uma alternativa possível empregada pelosfabricantes é combinar placas com diferentesângulos (e.g. 30º - 60º).
 Fator de ampliação ():
Razão entre os comprimentos real e projetadoao longo das corrugações:
7.8.1. Parâmetros geométricos
69
Comprimento projetado
Comprimento real
 = (Comprimento real / Comprimento projetado)
1,10 <  < 1,25
 = 1,17 (típico)
 Espaço médio dos canais (b):
7.8.1. Parâmetros geométricos
A área de escoamento entre as placas segueum padrão complexo. Entretanto, esta pode serdescrita simplificadamente por um valor médio:
70
p (plate pitch)t (thickness)
b = p – tChevron:
O espaço médio dos canais de escoamento éequivalente à espessura das gaxetas quandocomprimidas no interior do trocador.
descrita simplificadamente por um valor médio:
 Espaço médio dos canais (b):
7.8.1. Parâmetros geométricos
Caso o espaçamento entre as placas não sejaconhecido, o mesmo pode ser estimado através dasdimensões do conjunto de placas.
71
total
pack
total
totalpack N
L
N
tNLb 
 1
dimensões do conjunto de placas.
 Largura efetiva da placa (w):
7.8.1. Parâmetros geométricos
72
w
7.8.1. Parâmetros geométricos
 Comprimento efetivo de troca térmica (L):
73
L
7.8.1. Parâmetros geométricos
 Comprimento efetivo do escoamento (Lp):
74
Lp
 Diâmetro equivalente (Deq):
7.8.1. Parâmetros geométricos
w
ceq P
AD 4 bwAc  )(2  wbP
75
wP )(2  wbPw
)(2
4
wb
bwDeq 
Em geral: w >> b
 bDeq 2
7.8.1. Parâmetros geométricos
 Área de troca térmica (Aproj e Areal):
wLAproj Área projetada:
76
wLAproj Área projetada:
Área real: wLAreal  proj
realA
A
7.8.1. Parâmetros geométricos
 Área de escoamento (Ac):
bwAc Área de escoamento por canal:
77
bwAc Área de escoamento por canal:
7.8.1. Parâmetros geométricos
 Número de placas:
Relação entre o número de placas térmicas eo número total de placas:
78
o número total de placas:
Relação entre o número de canais deescoamento e número totalde placas:
2 totalterm NN
1 totalchannel NN
Dp
7.8.1. Parâmetros geométricos
 Diâmetro do orifício da placa (Dp):
79
Dp
 Correlação – Kumar (1984):
7.8.2. Coeficiente de convecção
80
17,033,0 )/(PrRe waCNu 
7.8.2. Coeficiente de convecção
 Re C a
30º 10 0,718 0,349>10 0,348 0,663
45º 10 0,718 0,34910 - 100 0,400 0,598
>100 0,300 0,663
81
>100 0,300 0,663
50º < 20 0,630 0,33320 – 300 0,291 0,591
> 300 0,130 0,732
60º < 20 0,562 0,32620 – 400 0,306 0,529
> 400 0,108 0,703
 65º < 20 0,562 0,32620 – 500 0,331 0,503
>500 0,087 0,718
Parâmetros:
 Perda de carga nas placas:
17,02  pp vLNfP 
7.8.3. Perda de carga
82
2 


wh
pp g
v
D
LNfg
P 
Fator de atrito: zKf  Re Kumar (1984)
 Re K z
30º 10 200 110-100 77,60 0,589
>100 11,96 0,183
45º 15 188 115 – 300 73,16 0,652
7.8.3. Perda de carga
83
15 – 300 73,16 0,652
>300 5,764 0,206
50º < 20 136 120 – 300 45 0,631
>300 3,088 0,161
60º < 40 96 140 – 400 12,96 0,457
> 400 3,04 0,215
 65º < 50 96 150 – 500 11,2 0,451
>500 2,556 0,213
Parâmetros:
 Perda de carga nos orifícios da placa:
vKNP 2
7.8.3. Perda de carga
84
g
vKNg
P
p 2
onde Np é o número de passes, K = 1,3 e v é calculado de acordocom o diâmetro dos canais coletores.
7.8.4. Diferença de temperatura
As placas podem ser organizadas paragarantir escoamento contracorrente. Neste caso, épossível utilizar o método LMTD nos cálculos
85
possível utilizar o método LMTD nos cálculostérmicos, adotando um fator de correção unitário.
Para configurações diferentes, pode-seutilizar o método LMTD associado ao fator decorreção correspondente.
7.8.4. Diferença de temperatura
 Fator de correção 2 passes / 1 passe
86Fonte: Saunders , 1988
7.8.4. Diferença de temperatura
Observação:
A abordagem indicada para a determinaçãoda diferença média de temperatura só pode ser
87
da diferença média de temperatura só pode serutilizada se o número de canais por passe forsuperior a 20, quando os efeitos das extremidadesdo trocador e/ou da placa central em um arranjo2-2 tornam-se desprezíveis.