Trabalho de trocadores de calor.

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Marcio zamboni moreira
Diego Richter
 Trocadores de calor
Classificação e Aplicação
Trabalho apresentado como requisito parcial à aprovação na disciplina de Fenômenos dos Fluídos do Curso Superior em Tecnologia em Manutenção Industrial do IFPR, Campus Paranaguá.
Orientador: Prof. Marluz
paranaguá
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Novembro- 2018
Sumário.
Lista de figuras....................................................................................................3
Lista de tabelas...................................................................................................3
1-Introdução.......................................................................................................4
2-Tipo e classificação de trocadores de calor................................................5
 2.1-Classificação tipo ao corrente....................................................................5
 2.1.1-Correntes paralelas.................................................................................5
 2.1.2-Correntes contrárias................................................................................5
 2.1.3-Correntes cruzadas.................................................................................6
2.2- Classificação quanto a estrutura..............................................................6
 2.2.1-Tubo duplo...............................................................................................6
 2.2.2-Casco Tubo.............................................................................................7
 2.2.3-Trocadores de placas..............................................................................8
 2.2.4-Trocadores de calor compacto................................................................8
 2.2.5-Trocadores de calor de serpentina.........................................................9
 2.3-Classificação de acordo com a natureza da transferência 
 2.3.1-Trocadores de calor de mistura ou contato direto
 2.3.2-Trocadores de calor por armazenamento
3.- Coeficiente Global de transferência de calor
4.- Condições operacionais e fatores de influência
 4.1-Caracteristicas dos fluídos
 4.2-Temperaturas de operação
 4.3-Pressões de operação
 4.4-Velocidade de escoamento
5.- Monitoramento e manutenção
 5.1-Incrustaçãoes
 5.2-Manutenção
6.- Aplicação
 6.1-Caldeiras
 6.2-Evaporadoras
 6.3-Recuperadores de calor
7.- Conclusão
8.- Bibliografia
Lista de figuras
 Figura 1:Esquema e distribuição de temperaturas
 Figura 2:
 Figura 3:
 Figura 4:
 Figura 5: Principio de funcionamento de um trocador
 Figura 6: Trocadores de calor compacto
 Figura 7: Trocador de calor serpentina 
 Figura 8: Trocador de calor de superfície ou contato direto
 Figura 9: Trocador de calor de tranferencia direta
 Figura 10: Principio de funcionamento da caldeira 
 Figura 11: Evaporadora
 Figura 12: Recuperadores de calor
Lista de Tabelas
 Tabela 1: Fatores e incrustações representativas
 Tabela 2: Valores representativos de coeficiente Global
1. INTRODUÇÃO 
 
Na engenharia de processos é praticamente impossível não existir a necessidade de troca de calor entre determinadas espécies envolvidas. A mais comum delas é a troca de calor entre fluidos que estão em temperaturas diferentes através de uma parede sólida. O equipamento que desempenha essa troca é chamado de trocador de calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento de ambientes e ar condicionado, produção de potência, recuperação de calor perdido e processamento químico. Nesse trabalho veremos a análise dos trocadores de calor, suas variáveis relacionadas e seu dimensionamento, com foco nos tipos de equipamentos mais utilizados na indústria química e seu princípio de funcionamento. Com esse conhecimento o engenheiro será capaz de dimensionar, selecionar e monitorar a eficiência dos trocadores de calor nas aplicações industriais.
2. TIPO E CLASSIFICAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR
Geralmente os trocadores de calor são classificados de acordo com o tipo de corrente, quanto à estrutura e quanto à natureza da transferência de calor. Abaixo encontramos as classificações mais usuais e suas características, para que possamos entender o funcionamento para posterior modelagem dos trocadores de calor.
2.1. Classificação quanto ao tipo de corrente 
2.1.1. Correntes paralelas 
Nesse arranjo, os fluidos quente e frio entram pela mesma extremidade, escoam no mesmo sentido e saem pela mesma extremidade. (Na Figura 1A. É possível verificar o esquema de correntes paralelas e a distribuição de temperatura ao longo do escoamento para os fluidos quente e frio) 
2.1.2. Correntes contrárias 
No arranjo de correntes contrárias os fluidos entram por extremidades opostas, escoam e saem por extremidades opostas. (Na Figura 1B é possível verificar o esquema de correntes contrárias e a distribuição de temperatura ao longo do escoamento para os fluidos quente e frio)
Figura 1- Esquema e distribuição de temperaturas
2.1.3. Correntes cruzadas 
Nesse tipo de arranjo, um fluido escoa perpendicular ao outro. São diferidos pelo fato de serem misturados ou não misturados, devido a aletas que não permitem o escoamento em duas direções. Chamamos de fluido misturado aquele onde no arranjo não existem a letas, permitindo o escoamento em duas direções (Figura 2.b), e não-misturado aquele onde existem aletas paralelas permitindo o escoamento numa única direção (Figura 2 ).
Figura 2-Trocadores de calor correntes cruzadas
2.2. Classificação quanto à estrutura 
2.2.1. Duplo tubo 
Os trocadores de duplo tubo são o tipo mais comum de troca dor de calor. São compostos de dois tubos concêntricos, geralmente retos com conexões em sua trajetória. Podem ser arranjados e m forma de “U” que permite a conexão em série dos trocadores, chamado de grampo. Esse tipo de trocador de calor possui grande facilidade de construção e de montagem, possui fácil manutenção e limpeza.
Figura 3
2.2.2. Casco tubo 
É um trocador de calor disposto de um casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os tubos são presos, em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos, que evitam o contato entre os dois fluidos no início e fim da troca térmica Várias outras classificações são feitas a partir desse tipo de troca dor, devido ao número de passes no casco e tubo. N a Figura 5 vemos o tipo mais simples desse trocador, com um único passe. Chicanas são instaladas no casco para que direcione os passes, permitindo um aumento no coeficiente de convecção do fluido, devido a indução de turbulência. 
Figura 4
2.2.3. Trocadores de placas 
São feitos de uma série de placas estampadas de aço inox, separadas por gaxetas de borracha que são colocada s em cada placa. Essas placas são dispostas em paralelo de forma alternada, aparafusadas entre estruturas para formar canais a través dos quais fluem os meios líquidos, quente e frio. Esses canais proporcionam maior velocidade e turbulência, com a finalidade de eliminar áreas de estagnação de líquido, promovendo a máxima transferência de calor. O fluido quente percorre um lado d a placa , enquanto o fluido frio flui no outro lado. As gaxetas vedam os canais e definem o sentido do fluxo. Como os líquidos fluem em sentido contrário nos canais entre a s placas, o líquido f rio esquenta e o líquido quente esfria. Os bocais de entrada e de saída são instalados na estrutura de aço fixa, para facilitar o arranjo das tubulações e proporcionar facilidadede desmontagem para limpeza. 
Figura 5 – Princípio de funcionamento de um trocador de calor de placas. 
2.2.4. Trocadores de calor compactos 
É uma classe especial de troca dores de calor utilizada para se obter uma área de superfície de transferência de calor por unidade de volume muito alta. Geralmente esses dispositivos possuem arranjos densos de tubos aletados ou placas e são tipicamente utilizados quando no mínimo um dos fluidos é um gás e, portanto caracterizado por um pequeno coeficiente de convecção. 
Figura 7 – Trocadores de calor compactos. (a) Tubo-aletas (tubos planos de placas contínuas). (b) Tubo-aleta (tubos circulares, aletas de placas contínuas). (c) Tubo-aleta (tubos circulares, aletas circulares). (d) Aleta -placa (passe único). (e) Aleta-placa (passes múltiplos).
2.2.5. Trocadores de calor de serpentina 
Este tipo consiste de um a ou mais serpentinas ordenada em uma carcaça. A serpentina é formada por um tubo cilíndrico dentro do qual escoa o vapor ou fluido que trocará calor com o fluido que está presente dentro da carcaça. Esse tipo de trocador possui alta eficiência e as expansões térmica s não são problemas, porém a limpeza é complicada, pois muitas vezes o s fluido de fora da serpentina pode conter sais como cálcio e magnésio que aderem a sua superfície da serpentina, o que dificulta a troca de calor entre o fluido da carcaça e o vapor que circula dentro da serpentina provocando condensações inadequadas. Esses sais sã o facilmente eliminados usando -se detergentes ácidos. Como vantagem é que uma grande superfície de troca térmica pode ser acomodada dentro de um determinado espaço de carcaça.
Figura 7- Trocador de calor Serpentina
2.3. Classificação de acordo com a natureza da transferência 
2.3.1. Trocadores de calor de mistura ou de contato direto 
Nessa classe os fluidos entram em contato direto, ou seja, o fluido de maior temperatura cede calor ao de menor temperatura até que ambos atinjam a temperatura de equilíbrio. Esses trocadores de calor possuem uma maior taxa de transferência de calor do que os trocadores de contato indireto, devido a ocorrência da transferência de massa. 
A construção é relativamente barata, se comparada aos de contato indireto, porém sua utilização se restringe a processos em que a transferência de massa é admissível. As torres de resfriamento dos processos d e umidificação são os exemplos mais comuns de trocadores de calor de contato direto. Um filme líquido escoa pela torre e o ar quente ascende, de modo a resfriar o ar umidificando -o.
Figura 8: Trocador de calor de superfície ou de contato indireto
São os trocadores de calor comuns, onde os fluidos são separados por paredes e a transferência de calor vai de um fluido ao outro a travessando a parede por condução. Possuem duas subclassificações, os de armazenamento e os de transferência direta. 
2.3.2 Trocadores de calor por armazenamento 
Nos trocadores de calor por armazenamento, os fluidos passam livremente nas mesmas passagens de troca de calor, sempre se alternando. Sua superfície de contato, onde ocorrera a transferência térmica é geralmente uma estrutura denominada matriz. Nos casos de aquecimento, o fluido com temperatura 
elevada passa pela superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz. Logo após que o fluido frio passa pelas mesmas passagens, é liberada energia térmica. Nos casos de refrigeração o processo é inverso. Em grandes instalações de sistemas de ar condicionado, uma opção amplamente utilizada são os bancos de gelo ou tanque 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 8 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 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 do s chillers nos horários em que a tarifa de energia é mais cara, proporcionando assim uma sensível economia nos custos operacionais do sistema.
Figura 9: Trocador de calor de transferência direta
É o exemplo mais clássico de trocadores, e o mais utilizado. Os fluidos escoam por esse dispositivo separados por paredes, onde as correntes trocam calor dessa forma. Um exemplo é o trocador de casco tubo, da Figura 5. 
3. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
Quando se trata da análise dos trocadores de calor, o fator mais importante na análise e modelagem de um trocador é o seu coeficiente global de transferência de calor. Muito das vezes a modelagem total do trocador depende do seu tipo, como a presentado anteriormente, entretanto o coeficiente deve ser determinado para alcançar a eficiência desejada do processo. Esse coeficiente é definido em termos das resistências térmicas envolvidas, como a condução na parede e o s fatores convectivos de cada corrente de fluido. Para superfícies limpas e não aletadas esse coeficiente se torna mais simples, entretanto em uma operação normal de um trocador de calor, a s superfícies são frequentemente sujeitas à deposição de impurezas, à formação de poeira o u a outras reações entre o fluido e o mate rial da parede. Esses efeitos podem se r tratados pela introdução de uma resistência térmica adicional, chamada de f ator de incrustação, onde seu valor depende da temperatura de operação, da velocidade do fluido e do comprimento útil do trocador de calor. As aletas adicionadas ao troca dor servem para aumentar a superfície de troca de calor, reduzindo a resistência a o fluxo de calor. Dessa forma, o coeficiente global d e transferência de calor pode ser escrito conforme a Equação 1.C 
Onde c eh referem-se aos fluidos frios e quentes, respectivamente. Todos os termos levam em conta a resistência total, desde as incrustações Rf, a resistência a condução na parede Rw e a eficiência das aletas n. Abaixo encontram-se tabelas com valores tabelas para Rw e para U. 
Tabela 1 – Fatores de incrustações representativos. (Fonte: Incropera,
1998)
Tabela 2 – Valores representativos do coeficiente global de transferência de calor. (Fonte: Incropera, 1998)
O coeficiente global de transferência de calor pode ser determinado do conhecimento do s coeficientes de convecção dos fluidos quente e frio e d os fatores de deposição e dos parâmetros geométricos apropriados. Dessa forma podemos calcular e projetar um trocador com o coeficiente desejado para determinado processo.
4. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA 
De uma maneira geral, além do coeficiente de transferência de calor visto acima, vários outros fatores influenciam no desempenho do trocador. Inclusive vários desses fatores influenciam diretamente os coeficientes convectivos e as resistências térmicas envolvidas. 
4.1. Características dos fluidos 
Quando se trata das características do s fluidos envolvidos no processo de troca térmica, a condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico são fatores altamente influenciáveis na eficiência dos trocadores de calor. A maioria dessas propriedades,além de influenciar no desempenho do dispositivo, são funções da temperatura, variando ao longo do processo. Todas essas variáveis e variações devem ser levadas em conta e desprezadas apenas quando forem realmente desnecessárias. Além dessas propriedades, condições operacionais que influenciam na vida útil do trocador e na segurança da operação também devem ser levadas em conta. Corrosividade, toxicidade, inflamabilidade e abrasividade são fatores de risco para a operação e o s operadores, de forma que as medidas necessárias devem ser tomadas para evitar danos.
4.2. Temperaturas de operação 
De acordo com cada processo que envolva determinado trocador de calor, as temperaturas de operação e o tempo necessário para atingi -las devem ser especificados. Materiais que aguentem grandes variações de temperatura devem ser utilizados em processos muito rápidos, além de que os fluidos possam receber quantidades de calor sem perder características necessárias ao processo. Mudanças de fase devem ser le vadas em conta, para substâncias puras e misturas, para que as temperaturas sejam realmente atingidas. 
4.3. Pressões de operação 
Na maioria das vezes quando h á gases em processo a pressão é fator extremamente importante na troca térmica. Altas pressões podem ac arretar em danos ao equipamento e perigoso d e explosões e vazamentos, enquanto que pressões muito baixas podem diminuir consideravelmente a troca térmica efetiva. 
4.4. Velocidade de escoamento 
A velocidade de escoamento no trocador de calor tem efeito no coeficiente global de transferência de calor, pois quanto maior a turbulência mais efetiva será a troca térmica. Entretanto, cotovelos podem causar grandes perdas de carga, erosões ou depósito s de sujeira na tubulação. Um valor razoável de velocidade deve ser obtido para cada tipo de processo, de modo a otimizar a troca térmica. De todos esses fatores, ressaltamos as perdas de carga, problemas de incrustações, entre outros fa tores que devem ser estipulados de uma maneira eficiente para o processo, minimizando perdas e consumo energético, além da vida útil do equipamento. Conhecer o processo e seus fatores de influência é imprescindível para os processos que envolvam as trocas d e calor entre fluidos.
5. MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO 
Para que o trocador continue operando nas condições necessárias ao processo o seu monitoramento deve ser efetuado continuamente. Métodos de condutividade ou gás hélio podem confirmar a integridade das placas ou tubos para prevenir contaminações e condições das juntas do trocador. A monitoração das condições dos tubos pode ser conduzida a través de ensaios não destrutivos, que são testes que não comprometem as propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais e os mecanismos de fluxo de água e depósitos são frequentemente simulados por fluidodinâmica computacional.
5.1. Incrustações 
Como dito anteriormente, as incrustações são um problema sério na vida útil e no desempenho do trocador de calor ao longo do tempo. Águas doces pouco tratadas são frequentemente usadas como água de resfriamento, o que resulta em detritos biológicos entrando no trocador e produzindo camadas, dificultando a troca térmica. Outro problema é o chamado tártaro, que é composto d e camadas depositadas de compostos químicos, como carbonato de cálcio ou carbonato de magnésio. Para todos esses problemas de incrustações, existem os métodos de aplicação de biocidas e produtos químicos em geral, com a devida consciência de não utilizar produtos que acelerem a corrosão ou que sejam muito tóxicos para o processo. Existem ainda mecanismos de monitoramento contínuo tal como o sensor Neosens, que mede tanto a espessura das incrusta ções, temperatura e permite aperfeiçoar a utilização de produtos químicos. 
5.2. Manutenção 
Um dos métodos principais de evitar as incrustações citadas a cima é fazer a de vida limpeza e manutenção do trocador ao longo do tempo d e uso . Os trocadores de calor precisam ser desmontados e limpos periodicamente, por métodos de limpeza ácida, jateamento e/ou jatos de água de alta pressão. Os sistemas de refrigeração de água para trocadores de calor, tratamento de água tal como purificação, a adição de produtos químicos e testes, são usados para minimizar as sujeiras presentes ao longo do tempo. Outros tratamentos de água tam bém são usados em sistemas de vapor para usinas de energia, por exemplo, para minim izar a incrustação e corrosão dos componentes dos trocadores de calor.
6. APLICAÇÕES 
É praticamente impossível que em uma indústria não haja a utilização do calor em determinado processo, e é nesse ponto em que os trocador e s de calor desempenham necessidades. Até aqui vimos os seus tipos, critérios e características e o seu princípio de funcionamento, de forma a estarmos aptos a entender as aplicações industriais dos trocadores de calor. Podemos imaginar uma infinidade de aplicações para este dispositivo, a transferência otimizada e a conservação de energia sob a forma de calor é um desafio constante, trocado res de calor mais eficientes e mais baratos já é uma grande necessidade. Trocar e utilizar o máximo de calor possível sem perda s é o maior objetivo das aplicações citadas a seguir. 
6.1. Caldeiras 
As caldeiras são grandes tanques de calor, onde um líquido pressurizado receber calor e vaporiza, de modo a ser utilizado em vários outros equipamentos e processos na indústria, grande maioria no uso do vapor para ceder calor a determinados locais. A fonte de calor das caldeiras é a queima de alguma substância combustível, geralmente carvão ou madeira, e em poucas ocasiões o petróleo ou gás natural. Existem também as caldeira para usos restritos, onde a maioria são elétricas, consumindo grandes quantidades de energia elétrica. A maioria dos modelos de caldeira aquecem a água pressurizada até a condição d e vapor saturado, entretanto existem as que produzem vapor superaquecido, entretanto não muito recomendáveis devido à grande temperatura de exaustão do combustível utilizado, diminuindo a eficiência global da planta. 
Figura 10 – Princípio de funcionamento de uma caldeira.
A água é alimentada por tubos e na saída o vapor é liberado (azul). Os gases 
quentes oriundos da queima saem por outra tubulação (amarelo).
6.2. Evaporadores 
Existem diversos tipos de evaporadores, onde feixes de tubos promovem a retirada ou a adição de calor a determinado local. Na refrigeração o evaporador geralmente é uma caixa onde um fluido refrigerante remove calor da mesma e libera em outra extremidade. Evaporadores de concentração de soluções promovem o aumento da concentração de determinadas soluções pela adição de calor latente adicionado por tubulações de vapor geralmente oriundas da caldeira
Figura 11: Evaporador
6.3. Recuperadores de calor 
É um tipo de trocador de calor comumente utilizado para aproveitar o calor gerado por gases quentes, como os gases produtos das queimas em caldeiras e outros equipamentos, diminuindo o gasto energético com aquecimento. O termo recuperador refere-se também para trocadores de calor em contracorrente líquido-líquido usado em indústrias químicas e refinarias e em processos fechados.
Figura 12: Recuperadores de calor
7. CONCLUSÃODepois de tamanha informação sobre trocadores de calor podemos estar cientes das variáveis envolvidas, tipos de trocadores e suas aplicações e os processos em que são utilizados. Os trocadores de calor desempenham papel fundamental na otimização energética de um a planta química e a correta seleção e dimensionamento é imprescindível para a indústria e o processamento de produtos como um todo. 
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
INCROPERA, F. P.; DEW ITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 4a Ed., Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos, 1998; 
GERSON R. VICTORIA, Trocadores de calor. Publicação independente; 
http://ruyalexandre.zzl.org/arquivos/eng6trocadores.pdf ; 
http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/ ;