Trabalho de Operações

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS 
FACULDADE DE CIÊNCIAS FARMACÊUTICAS 
 
 
 
 
 
 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS: 
FUNCIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR A PLACAS OU PHE 
 
 
 
 
 
 
 
ALUNA: MARIA CECÍLIA LELIS 
MATRÍCULA: 21453101 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS 
2015 
Figura 2 Partes principais do trocador de calor 
 O trocador de calor a placas ou PHE (plate heat exchange) são normalmente 
usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas: o trocador de calor 
a placas com gaxetas. Também existem outros, porém, menos comuns, como o 
espiral ou de lamela. Em todos eles, os fluidos escoam por canais estreitos e trocam 
calor através de chapas metálicas finas. 
 
Por serem fáceis de limpar, desmontar e inspecionar, os PHE começaram a ser 
introduzidos nas indústrias alimentícia e farmacêutica. Atualmente, são amplamente 
empregados em processos de trocas térmicas entre líquidos com pressões e 
temperaturas moderadas quando se deseja alta eficiência térmica. 
 Os PHEs são formados por um pacote de finas placas metálicas prensadas em 
um pedestal, que possui uma placa fixa, uma placa de aperto móvel, barramentos 
superior e inferior e parafusos de aperto. As placas fixas e de aperto possuem bocais 
para conexão das tubulações de alimentação e de coleta de fluidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 As placas do PHE possuem orifícios nos cantos para a passagem dos fluidos e 
são seladas nas extremidades por gaxetas (também chamadas de juntas) de material 
elastomérico. Quando as placas são alinhadas e prensadas no pedestal, forma-se 
entre elas uma série de canais paralelos de escoamento. A parte central da placa é 
ondulada para aumentar a turbulência do escoamento dentro destes canais e também 
Figura 1 Diferentes modelos de gaxetas. 
para aumentar a resistência mecânica do pacote de placas, que pode ter de 3 a 700 
placas dependendo da capacidade do pedestal. 
Existe uma grande variedade de tamanhos e desenhos de placas. A área de 
troca térmica por placa varia de 0,03 a 3,6 m2 e a espessura da chapa é de cerca de 
1 mm. Os tipos mais comuns de corrugações são a chevron (ou “espinha de peixe”) e 
a washboard (ou “tábua de lavar”). O ângulo de inclinação das ranhuras chevron é um 
parâmetro muito importante para o dimensionamento do PHE pois ele tem forte 
influência sobre os coeficientes de troca térmica e sobre a perda de carga dos fluidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
O pedestal do PHE é normalmente construído em aço carbono com pintura 
anticorrosiva. Já as placas são feitas de algum metal dúctil que possa ser laminado e 
prensado e que também seja resistente à corrosão. Para a maior parte das aplicações 
usa-se o aço inoxidável AISI-316, mas outros materiais mais nobres podem ser 
utilizados como o titânio ou ligas de cobre e níquel, dependendo das condições de 
processo. As gaxetas são fabricadas com elastômeros, em especial as borrachas 
butílicas e nitrílicas. Outros materiais, como o amianto, podem ser usados quando se 
deseja trabalhar com temperaturas superiores a 150 oC. 
 O espaço compreendido entre duas placas é um canal de escoamento, que 
pode ter uma espessura de 1,5 a 5 mm. O fluido entra e sai dos canais através dos 
orifícios nas placas e o seu caminho por dentro do PHE é definido pelo desenho das 
gaxetas, pelos orifícios abertos e fechados das placas e pela localização das 
conexões de alimentação. A configuração do PHE define as trajetórias dos fluidos 
quente e frio dentro do trocador e existe um grande número de possibilidades de 
configuração. 
A distribuição do fluxo pelos canais do PHE é feita na forma de “passes”, 
compostos por um certo número de “passagens”. Cada vez que o fluxo muda de 
sentido, muda-se de passe. 
Figura 3 Variedades de tamanhos 
 
 
 
 
 
 Os números de passes e de passagens definem o “arranjo de passes” do PHE. 
Os tipos de arranjos mais comuns são aqueles em paralelo onde os dois fluidos fazem 
apenas um passe (arranjo 1´n/1´m) e aqueles em série onde os fluxos não sofrem 
divisões, ou seja, cada passe tem apenas uma passagem (arranjo n´1/m´1). Quando 
um outro tipo de arranjo é necessário, procura-se configurá-lo para que o fluxo entre 
os canais vizinhos no PHE seja predominantemente contracorrente, o que maximiza 
a troca térmica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O arranjo paralelo tipo U é muito utilizado, pois todas as conexões de tubulação 
são feitas na placa fixa, deixando a placa de aperto livre para a desmontagem do 
trocador. Outra vantagem deste arranjo é que todos os canais estão em escoamento 
contracorrente com os canais vizinhos. Já em um arranjo multipasse assimétrico 
predomina o escoamento paralelo entre canais vizinhos. Arranjos assimétricos são 
usados somente nos casos em que exista uma grande diferença entre as capacidades 
térmicas dos fluidos quente e frio. 
 Mesmo sendo um trocador versátil, compacto e de alta eficiência térmica, o 
PHE possui limitações de operação impostas pelo uso intensivo de gaxetas. As suas 
principais vantagens são: 
- Limpeza: como o PHE é desmontável, é possível limpar e inspecionar todas as partes 
em contato com os fluidos. No processamento de produtos alimentícios ou 
farmacêuticos esta característica é fundamental. 
- Flexibilidade: os PHEs são muito flexíveis; adicionando ou removendo placas eles 
podem ser redimensionados para novas condições de processo. A área de troca 
Figura 4 Configuração de um PHE 
Figura 5 Arranjo de passes 
térmica de um PHE pode variar entre 0,1 e 2500 m2 dependendo do tipo e do número 
de placas. 
- Economia: como os PHEs são compactos, podem ser usados materiais mais nobres 
na fabricação das placas, o que seria proibitivo em trocadores mais robustos como o 
casco-e-tubos. O espaço para instalação é também bastante reduzido para os PHEs. 
Um mesmo pedestal pode até acomodar mais de uma seção de troca térmica 
utilizando placas especiais chamadas “grades conectoras”, essenciais nos processos 
de pasteurização onde o fluido de processo é aquecido e depois resfriado no mesmo 
trocador. 
- Rendimento Térmico: os PHEs são trocadores de alta eficiência térmica, sendo 
possível obter diferenças de temperatura de até 1 oC entre os fluidos. 
- Turbulência: as placas corrugadas aumentam a turbulência do escoamento dentro 
dos canais. Desta forma, é possível obter o regime turbulento de escoamento com 
valores de número de Reynolds da ordem de 20 a 400 dependendo do tipo de placa 
(vale lembrar que o valor mínimo de Reynolds para escoamento turbulento em tubos 
lisos é 2.300). A turbulência também reduz a formação de incrustações pois mantém 
os sólidos em suspensão. Os fatores de incrustação (fouling factors) para os PHEs 
são aproximadamente dez vezes menores daqueles adotados para os trocadores 
casco-e-tubos. 
- Vazamentos nas gaxetas: as gaxetas possuem respiros que impedem que os fluidos 
se misturem no caso de alguma falha, o que também facilita a localização de 
vazamentos. 
 E as principais desvantagens: 
- Pressão: pressões superiores a 1,5 MPa não são toleradas, pois ocasionam 
vazamentos nas gaxetas. Existe a possibilidade de soldar as placas umas às outras 
para operar sob altas pressões, como nos trocadores a placas brazados, mas o PHE 
perde a sua flexibilidade e não pode mais ser limpo internamente. 
- Temperatura: para que o PHE possa trabalhar acima de 150 oC é necessário o uso 
de gaxetas especiais, pois as de material elastomérico não suportam tal condição. 
- Perda de Carga: devido às placas corrugadas e ao pequeno espaço de escoamento 
entre elas, a perda de carga por atrito é alta, o que eleva os custos de bombeamento. 
Para diminuir a perda de carga pode-se aumentar o númerode passagens por passe 
para que o fluxo seja dividido em um número maior de canais. Desta forma a 
velocidade de escoamento dentro dos canais será menor, reduzindo o fator de atrito. 
Todavia, isto também reduzirá o coeficiente convectivo de troca térmica e a eficiência 
do trocador. 
- Mudança de Fase: em casos especiais os PHEs podem ser usados em operações 
de condensação ou de evaporação, mas eles não são recomendados para gases e 
vapores devido ao espaço reduzido dentro dos canais e às limitações de pressão. 
- Fluidos: o processamento de fluidos de alta viscosidade ou contendo materiais 
fibrosos não é recomendado por causa da alta perda de carga e de problemas de 
distribuições de fluxo dentro do PHE. Deve-se verificar ainda a compatibilidade entre 
os fluidos e o material de fabricação das gaxetas. 
- Vazamentos nas placas: a fricção entre placas pode desgastar o metal e formar 
pequenos furos de difícil localização. Como precaução, é aconselhável pressurizar o 
fluido de processo para que, no caso de vazamento na placa, o fluido de utilidade não 
o contamine. 
- Dimensionamento: os métodos rigorosos de dimensionamento dos PHEs ainda são 
propriedade dos fabricantes e são específicos aos modelos comercializados. Em 
contrapartida, métodos genéricos de dimensionamento para trocadores casco-e-tubos 
ou duplo-tubo encontram-se disponíveis na literatura aberta. Recentemente os 
presentes autores apresentaram uma metodologia para a seleção da configuração 
ótima no projeto de PHEs. 
 De forma geral, os PHEs são utilizados em operações de resfriamento, 
aquecimento ou de recuperação de calor entre líquidos com temperaturas inferiores a 
150oC e pressões não maiores que 1,5 MPa. Eles são extensivamente usados no 
processamento de produtos alimentícios como laticínios, sucos e cervejas e também 
na indústria farmacêutica para esterilização de meios de cultura. A facilidade de 
limpeza interna e de controle da temperatura dos PHEs são fundamentais para estes 
processos industriais. 
Uma das aplicações mais importantes dos PHEs é na pasteurização do leite. 
Neste processo o PHE é dividido em três seções de troca térmica, uma para 
aquecimento do leite cru até a temperatura de pasteurização, outra para resfriamento 
do leite pasteurizado até a temperatura de embalagem e uma seção para recuperação 
de calor. Nesta última seção, designada “regeneração”, o leite cru é pré-aquecido 
usando o leite quente pasteurizado e a recuperação de calor pode ser superior a 90%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Outra importante aplicação dos PHEs é no sistema central de resfriamento de 
plantas petroquímicas, metalúrgicas, de papel e celulose ou de geração de energia. 
Usando água do mar, de rios ou de uma torre de resfriamento, o PHE resfria um 
circuito fechado de água tratada que atende o processo. Desta forma, os problemas 
Figura 6 Processo de pasteurização indicando as seções do 
PHE 
de corrosão e de incrustação nos equipamentos do processo são transferidos para o 
PHE, que pode ser fabricado em titânio para operação com água do mar. 
 
Bibliografia 
 http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm 
http://www.phe.com.br 
http://www.polarisphe.com 
BLACKADDER; NEDDERMAN. Manual de Operações Unitárias. Hemus, Brasil, 2004. 
ÇENGEL, Yunus A.; GHAJAR, Afshin J. Transferência de Calor e Massa: uma 
abordagem prática. 4ª ed. AMGH editora. Porto Alegre, RS. 2012. 
GAVA, A.J.; SILVA, C.A.B.; FRIAS, J.R.G. Tecnologia de Alimentos. NBL editora, 
2009.