Relatório Trocador de Calor Placas

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UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
BIANCA RAUPP PEREIRA
ELOISA CONTESSI CONSENSO
JOANA GOMER MELLER
JONATHAN VARGAS LINHARES
LUIS FRANCISCO ISAIAS JÚNIOR
PAULA SILVEIRA BETTIOL
TOMAZ BARRETO DA SILVA
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VARIÁVEIS FÍSICAS DE UM TROCADOR DE CALOR DE PLACAS
CRICIÚMA
2014
BIANCA RAUPP PEREIRA
ELOISA CONTESSI CONSENSO
JOANA GOMER MELLER
JONATHAN VARGAS LINHARES
LUIS FRANCISCO ISAIAS JÚNIOR
PAULA SILVEIRA BETTIOL
TOMAZ BARRETO DA SILVA
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VARIÁVEIS FÍSICAS DE UM TROCADOR DE CALOR DE PLACAS
Relatório, apresentado para disciplina de Laboratório de Operações Unitárias II no curso de Engenharia Química da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.
Prof. (ª) Dr. Agenor De Noni Junior
CRICIÚMA
2014
RESUMO
Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Trocadores de calor mais econômicos, compactos e eficientes vêm sendo desenvolvidos para atender às crescentes exigências da indústria e nesta área o trocador de calor a placas tem um grande destaque. Este tipo de trocador consiste de finas placas metálicas corrugadas comprimidas por parafusos de aperto em um pedestal. Entre cada par de placas são usados gaxetas para formar canais de escoamento pelos quais os fluidos quente e frio circulam alternadamente, trocando calor através das placas metálicas.O presente trabalho tem como objetivo determinar experimentalmente o coeficiente convectivo global de troca de calor, a eficiência de troca térmica e a quantidade de calor trocado, levando-se em conta as configurações dos escoamentos concorrentes e contracorrentes e as variações de vazão dos fluidos quentes e frios, em trocador de placas.
PALAVRAS-CHAVE: Trocador de calor, placa, fluido.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
16Figura 1 :Distribuição de temperaturas para operação em paralelo
16Figura 2 Distribuição de temperatura para operação em contracorrente.
17Figura 3 Vista explodida de um trocador de placas.
18Figura 4 Escoamento de um trocador de placas.
19Figura 5 Placa de troca térmica.
22Figura 6 Equipamento para experimento de trocador de calor de placas.
23Figura 7 Configuração de escoamento concorrente
24Figura 8: Configuração de escoamento contracorrente
26Figura 9: Coeficiente global de troca térmica para os sistemas concorrente e contracorrente
27Figura 10 Coeficientes globais de troca térmica, estimados e experimentais, para Sistemas concorrentes e contracorrentes.
28Figura 11 Eficiência de troca térmica em ambos os sistemas.
28Figura 12 Quantidade média de calor em ambos os sistemas
29Figura 13 Percentual de perdas em ambos os sistemas
LISTA DE TABELAS
25Tabela 1 Temperaturas de entrada e saída em diferentes vazões para um sistema concorrente.
25Tabela 2: Temperaturas de entrada e saída em diferentes vazões para um sistema contracorrente.
SUMÁRIO
132 REFERENCIAL TEÓRICO
132.1.1 Condução
152.2 trocadores de calor
152.2.1 Operação em paralelo
162.2.2 Operação em contracorrente
172.2.3 Trocador de calor de placas
182.2.3.1 Placas
192.2.3.2 Juntas de vedação
223 metodologia e equipamentos
234. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
255 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS
306 CONCLUSÃO
1 INTRODUÇÃO 
Sempre há uma cessão de energia quando um corpo está a uma temperatura maior que de a de outro corpo, ou quando, num mesmo corpo, há diferentes temperaturas, fazendo com que a região de temperatura mais elevada ceda energia para a região de temperatura mais baixa. A esse fenômeno se dá o nome de transmissão de calor. (ARAÚJO, 1978).
No presente trabalho, tem-se como objetivo determinar experimentalmente o coeficiente convectivo global de troca de calor (U), a eficiência de troca térmica (Ef) e a quantidade de calor trocado (qm), utilizando para tal o módulo didático de Trocado de Calor a Placas (TCP). Para isso serão utilizadas diferentes vazões de fluido frio e quente, com escoamentos em configuração paralela ou contracorrente.
A partir dos dados obtidos pretende-se também dimensionar um trocador de calor a nível industrial.
2 REFERENCIAL TEÓRICO 
2.1 FORMAS DE TRANSMISSÃO DE CALOR
As três formas de transmissão de calor (condução, convecção e radiação) são diferentes nos seus princípios fundamentais, sendo regidas por leis próprias. No entanto, em muitas das situações em que se envolve a engenharia, as três formas de transmissão podem ocorrer simultaneamente, o que pode tornar complexa a solução exata de um problema envolvendo transmissão de calor. Fica então nas mãos do engenheiro responsável pela solução do problema, utilizar o seu bom senso e experiência acerca do assunto, para perceber se pode ou não desprezar uma ou até duas das formas de transmissão de calor, uma vez que as formas desprezadas não tenham relevância significante na resolução do problema ou no projeto de engenharia. (ARAÚJO, 1978).
2.1.1 Condução
A transferência de calor por condução pode ocorrer de uma parte a outra de um mesmo corpo, ou de um corpo para outro que esteja em contato físico com o primeiro, sem que haja deslocamento apreciável das partículas do corpo. (PERRY; CHILTON, 1980).
A existência de um gradiente de temperatura em um meio sólido faz com que, calor flua da fonte quente para a fonte fria. A taxa na qual se dá essa transferência por condução (qk) em um meio homogêneo é dada pela equação 1, chamada de lei de condução de Fourier:
 (1)
Onde:
qk = Taxa na qual o calor é transferido por condução ()
k = condutividade térmica ();
A = área através do qual o calor é transferido ();
dT/dx = gradiente de temperatura ().
O sinal negativo presente na fórmula se dá em função da existência da segunda lei da termodinâmica, exigindo que o calor deva fluir na direção da temperatura mais alta para a mais baixa. (KREITH; BOHN, 2003).
2.1.2 Convecção
Na convecção a transferência de calor se dá de um ponto para outro dentro de um fluido, pela mistura de porções do mesmo. A convecção natural se dá unicamente pelas diferenças de densidade das partículas, consequentes das diferenças de temperatura entre as mesmas. Na convecção artificial o movimento se produz por meios mecânicos. (PERRY; CHILTON, 1980).
Independente dos mecanismos envolvidos, a taxa de transferência de calor por convecção entre uma superfície e um fluido pode ser calculada a partir da equação 2:
 (2)
Onde:
qc= taxa de transferência de calor por convecção ();
A = área de transferência de calor ();
ΔT = diferença entre a temperatura da superfície e uma temperatura do fluido em algum local especificado (normalmente longe da superfície) ();
hc = coeficiente médio de transferência de calor por convecção sobre a área A (normalmente chamado de coeficiente de transferência de calor da superfície) ();
2.1.3 Radiação
O calor que se é transmitido de uma região a outra, sem que o meio intermediário se aqueça, é transmitido por um mecanismo chamado radiação. A transferência se dá por ondas eletromagnéticas de determinada faixa de comprimento de onda que, são emitidas por um corpo e se caracterizam por atravessar um meio transparente, e ao encontrarem um meio opaco são absorvidas, ocorrendo uma transformação de energia radiante em energia térmica. (ARAÚJO, 1978).
2.2 trocadores de calor
Trocadores de calor são equipamentos que realizam a operação de troca térmicaentre dois fluidos, um considerado quente e outro considerado frio. O fluido quente cede calor ao fluido frio, e como consequência, se não houver mudanças de fase, o fluido quente se resfriará e o frio se aquecerá. Neste tipo de equipamento, normalmente se separa um fluido do outro se utilizando paredes metálicas. (ARAUJO, 2011).
De acordo com Saunders, os trocadores de calor se classificam em quatro categorias:
· Tubular: casco e tubo, duplo tubo, resfriadores a ar, tubo aquecido;
· De placas: placa, espiral, lamela, placa aletada;
· De materiais altamente resistentes a corrosão: grafite, vidro, teflon;
· Especiais: rotativos, elétricos.
(ARAUJO, 2011).
2.2.1 Operação em paralelo
Define-se que um trocador de calor está operando em paralelo quando, os dois fluidos entram no mesmo pela mesma extremidade, o percorrendo assim no mesmo sentido. Sendo assim, na extremidade de entrada tem-se a maior temperatura do fluido quente e a menor do fluido frio, portanto, a maior diferença de temperatura entre os fluidos, o que diminui ao longo do equipamento. Na operação em paralelo não é possível obter temperatura de saída do fluido frio maior que a de saída do fluido quente. (ARAUJO, 2011).
A figura 1 descreve a distribuição de temperaturas ao longo do trocador.
Figura 1 - Distribuição de temperaturas para operação em paralelo
.
2.2.2 Operação em contracorrente 
Na operação em contracorrente os fluidos entram no trocador de calor por extremidades opostas, percorrendo o mesmo em sentidos contrários. Ao longo do equipamento as diferenças de temperatura se apresentam mais homogêneas entre os dois fluidos, se comparado à operação em paralelo. Diferentemente da operação em paralelo, na operação em contracorrente a temperatura de saída do fluido frio pode ser maior que a do fluido quente, tornando assim a quantidade de calor que é possível transferir maior, o que torna a operação em contracorrente mais vantajosa frente à em paralelo. (ARAUJO, 2011).
A distribuição de temperaturas no equipamento é apresentada na figura 2.
Figura 2 - Distribuição de temperatura para operação em contracorrente.
2.2.3 Trocador de calor de placas
Projetos preliminares de trocadores de calor de placas já haviam surgido antes, no entanto, foi a partir de 1930 que os mesmos foram introduzidos na indústria de alimentos em razão da facilidade de limpeza. Atualmente, esse tipo de trocador de calor compete em setores que historicamente utilizam outros tipos de equipamentos para troca térmica entre fluidos. (ARAUJO, 2011).
Esse tipo de equipamento é composto por um suporte, onde placas independentes de metal são sustentadas por barras, e presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Por entre placas adjacentes formam-se canais onde os fluidos escoam, estando de um lado o fluido quente, e do outro o fluido frio, dando-se assim a troca de calor. (ARAUJO, 2011).
Nas figuras 3 e 4 são demonstradas montagens típicas com a estrutura do trocador e um conjunto de placas exemplificando uma das formas de escoamento no interior do equipamento, respectivamente.
Figura 3 - Vista explodida de um trocador de placas.
Figura 4 - Escoamento de um trocador de placas.
2.2.3.1 Placas 
Normalmente são utilizados materiais nobres na sua confecção, como aço inox, titânio, Hastelloy, entre outros. Porém, o material mais utilizado é o aço inoxidável 316. (ARAUJO, 2011).
Apresentam superfícies com corrugações, fornecendo maior resistência a placa e causando maior turbulência dos fluidos em escoamento. São confeccionadas por prensagem. (ARAUJO, 2011).
Na figura 5 é apresentada uma placa típica, com a identificação das partes que a constituem.
Figura 5 - Placa de troca térmica.
A possibilidade de os dois fluidos entrarem em contato é praticamente remota, mesmo que uma das vedações se rompa. Isso se deve ao fato de existirem sempre duas vedações separando os fluidos e das chamadas bolsas, que possuem respiros para a atmosfera. (ARAUJO, 2011).
A espessura das placas pode variar de 0,5 a 3 mm, os canais que se formam entre as placas, para escoamento dos fluidos, podem ter de 2 a 5 mm de espessura. A dimensão da maior placa existente que se tem notícia é de 4,3 m x 1,1 m e a área de troca térmica de cada placa pode estar entre 0,01 m2 e 3,6 m2. Utiliza-se uma relação comprimento/largura de no mínimo 1,8, a fim de se evitar a má distribuição do fluido pela placa. (ARAUJO, 2011).
2.2.3.2 Juntas de vedação
As juntas de vedação devem ser de material flexível, para que, com a compressão entre as placas ocorra a vedação. Normalmente utilizam-se elastômeros na sua confecção. (ARAUJO, 2011).
Responsáveis pelo direcionamento dos fluidos dentro do trocador impedem a mistura entre eles e evitam o vazamento para o exterior. Elas ocupam toda a periferia da placa, dois bocais integralmente e a parte externa dos outros dois bocais de cada placa. A sua existência é o que faz com que cada lado tenha fluidos diferentes. (ARAUJO, 2011).
2.2.3.3 Bocais
São utilizados para entrada e saída dos fluidos no equipamento, podendo estar localizados em uma ou nas duas extremidades do trocador de calor. (ARAUJO, 2011).
Em função da posição dos bocais e juntas de vedação na placa, o escoamento pode ser diagonal ou vertical, embora a configuração vertical seja a mais comumente utilizada.
2.2.3.4 Vantagens e restrições
Entre as principais vantagens pode-se citar:
· Facilidade de acesso à superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza;
· Flexibilidade, sendo a alteração da área de troca possível, basta adicionar ou remover placas;
· Fornece grandes áreas de trocas ocupando pouco espaço;
· Incrustação reduzida em razão da alta turbulência, o que ocasiona em menos paradas para limpeza;
· Baixo custo inicial;
· Não é necessário isolamento, apenas as bordas das placas são expostas à atmosfera.
(ARAUJO, 2011).
As principais restrições se devem quanto a:
· Pressão: podem resistir aproximadamente a pressões de 20 atm, sendo muito difícil a sua utilização em valores acima disso;
· Temperatura de operação: uma vez que a maioria das juntas de vedação utilizadas resistem a no máximo 180 °C, podendo chegar a 260 °C com amianto, mas nem sempre é utilizado devido a sua baixa flexibilidade;
· Vazão: máxima de operação de 2500 m3/h, com bocais de até 400 mm.
(ARAUJO, 2011).
3 metodologia e equipamentos
Para o estudo do comportamento de variáveis físicas de um trocador de calor de placas foi realizado em um equipamento como mostra a Figura 6:
Figura 6 - Equipamento para experimento de trocador de calor de placas.
· O equipamento é constituído por um sistema de aquecimento de água a gás com capacidade de aquecimento até 65ºC com vazão de água até 8 litros/minuto (1);
· Medidores de vazão tipo rotâmetro, tanto para a água fria quanto para a água quente (2); 
· Um trocador de calor constituído por 11 placas metálicas corrugadas de aço inox, montadas em configuração de passe simples, ou seja, 5 passes simples para cada fluido quente e frio. A área de troca térmica por placa é de 0,037 m2 (área total é 0,407m2), a altura de troca térmica é de 0,3m , e a largura de 0,1m (3).Sistema de válvulas que permite os experimentos nas configurações de escoamento em concorrente e contracorrente (4).Sensores de temperatura nas entradas e saídas dos fluidos quente e frio ligados a um painel de indicadores (5).
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Primeiramente na etapa 1, preparou-se o arranjo de fluxos (água quente/água fria) em concorrente, procedendo-se com a abertura e fechamento das válvulas adequadamente, conforme observa-se na figura 7. 
Abriu-se a torneira de água da rede, em seguida abriu-se a válvula da linha de gás e a válvula de regulagem da água quente, observou-se que o aquecedor à gás ligou automaticamente a chama. Regulou-se a vazão da água quente através da válvula e do Rotâmetro 1, na vazão de 3 L/min;
Posteriormente ajustou-se a vazão de água fria através da válvula e do Rotâmetro 2 para 1 L/min, deixou-se o sistema entrar em equilíbrio térmicopor aproximadamente 1 hora, e registrou-se as leituras de temperatura por meio dos termopares instalados no circuito. Em seguida, repetiu-se o procedimento anterior para as vazões de água fria de: 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5 e 6 L/min. 
Posteriormente, fechou-se totalmente e somente a vazão da água fria (válvula 2), preparando-se para fazer a segunda etapa do experimento.
Figura 7 - Configuração de escoamento concorrente.
 O mesmo procedimento foi reproduzido para a etapa 2, porém em escoamento contracorrente (figura 8). Para tal, efetuou-se um rearranjo entre as válvulas permitindo que esse tipo de escoamento fosse produzido no interior do trocador de calor de placas.
5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS
A partir das temperaturas encontradas nas entradas e saídas de água, para ambos os sistemas (concorrente e contracorrente) e em todas as vazões propostas, foram determinadas os coeficientes globais de transferência de calor experimentais e estimados. Bem como a eficiência térmica e as perdas para o meio ambiente.
 Nas Tabela 1 e Tabela 2 abaixo, as temperaturas alcançadas, para as vazões mássicas de água fria propostas, no sistema em concorrente e contracorrente, respectivamente. 
Tabela 1 - Temperaturas de entrada e saída em diferentes vazões para um sistema concorrente.
	Qm do Fluído Frio (kg/s)
	Teq (°C)
	Tsq (°C)
	Tef (°C)
	Tsf (°C)
	1,66E-02
	52,20
	44,50
	21,10
	40,70
	2,49E-02
	52,20
	42,50
	20,80
	36,90
	3,32E-02
	52,30
	40,80
	20,70
	36,50
	4,15E-02
	52,50
	39,30
	20,60
	36,10
	4,99E-02
	52,60
	38,00
	20,50
	35,20
	5,82E-02
	52,90
	36,60
	20,40
	34,00
	6,65E-02
	53,10
	36,10
	20,40
	33,50
	7,48E-02
	53,20
	35,30
	20,50
	32,90
	8,31E-02
	53,40
	34,50
	20,40
	32,00
	9,14E-02
	53,50
	33,90
	20,40
	31,50
	9,97E-02
	53,90
	33,30
	20,30
	30,70
Tabela 2 - Temperaturas de entrada e saída em diferentes vazões para um sistema contracorrente.
	Qm do Fluído Frio (kg/s)
	Teq (°C)
	Tsq (°C)
	Tef (°C)
	Tsf (°C)
	1,66E-02
	56,7
	47,30
	25,5
	54,30
	2,49E-02
	56,80
	44,50
	25,40
	52,50
	3,32E-02
	56,60
	41,30
	25,30
	50,60
	4,15E-02
	56,70
	39,50
	25,30
	48,00
	4,99E-02
	56,90
	37,60
	25,20
	46,10
	5,82E-02
	57,10
	36,40
	25,10
	44,70
	6,65E-02
	57,10
	35,40
	25,10
	42,50
	7,48E-02
	53,00
	29,30
	20,20
	37,10
	8,31E-02
	53,20
	28,60
	20,10
	35,70
	9,14E-02
	53,50
	27,90
	20,10
	34,70
	9,97E-02
	53,80
	27,50
	20,10
	33,80
Para o calculo dos coeficientes globais de transferência térmica, primeiro determinou-se as taxas de calor médio, a partir da média entre as taxas de calor para a corrente fria e quente. Além disso, deve-se determinar o MLDT. 
Com esses dados podem-se calcular os coeficientes globais de transferência térmica. Na figura 9 estão plotados os coeficientes dos sistemas concorrentes e contracorrentes.
Figura 9 - Coeficiente global de troca térmica para os sistemas concorrente e contracorrente
Como mostra a figura 9, os coeficientes globais aumentam em uma escala logarítmica, em ambos os sistemas, pois a média de temperatura é logarítmica. O Sistema contracorrente tem valores de coeficiente maiores. Isto é explicado pela própria configuração do sistema que faz com que as correntes, quente e fria, se cruzem tendo maiores gradientes de temperatura entre elas, em relação ao concorrente. 
Para melhor avaliação dos resultados calculou-se o mesmo coeficiente, mas estimado, utilizando propriedades físicas e fenomenológicas nas diferentes temperaturas. Na figura 10, plotou-se os dois coeficientes globais, experimental e estimado, nos dois sistemas.
Figura 10 - Coeficientes globais de troca térmica, estimados e experimentais, para Sistemas concorrentes e contracorrentes.
Pode-se analisar que em ambos os sistemas os coeficientes tem a mesma tendência. Os coeficientes estimados são mais próximos entre si principalmente com o aumento da velocidade, pois o aumento da turbulência no sistema concorrente aumenta a transferência igualando-se ao sistema contracorrente. O Sistema contracorrente começa menor que o estimado e aumenta a partir 3 L/m. 
A eficiência, representada pela figura 11, diminui com o aumento da vazão, sendo a eficiência do sistema contracorrente maior que a concorrente como já explicado anteriormente. Essa diminuição da eficiência se dá, pois quanto mais massa de água passa nas placas, menos a quantidade de calor transferida representa uma diferença de temperatura. 
Figura 11 - Eficiência de troca térmica em ambos os sistemas.
A quantidade de calor transferido aumenta com o aumento da vazão, sendo que a quantidade de calor transferida no sistema contracorrente é maior. Como demostra a figura 12.
Figura 12 - Quantidade média de calor em ambos os sistemas
A porcentagem de perdas, calculada a partir dos calores práticos e teóricos. As Perdas para o sistema estão representadas na Figura 13.
Figura 13 - Percentual de perdas em ambos os sistemas.
6 CONCLUSÃO
É possível concluir que trocadores de calor de placas são muito utilizados na indústria química por serem trocadores compactos e de fácil manutenção e limpeza, entre outros vários fatores, porem os mesmo possuem aplicações limitadas para alguns tipos de sistemas onde exijam temperaturas de trabalho muito altas. 
O sistema de escoamento influência consideravelmente na eficiência do mesmo, no experimento proposto em aula dois destes sistemas foram analisados sendo o concorrente e contracorrente. O sistema concorrente se mostrou um sistema mais lento na troca térmica, sendo este de eficiência baixa, como foi possível analisar nos resultados os mesmo apresentam valores de coeficiente global de troca térmica baixos essa troca se torna lenta, pois a distância do ponto frio para o ponto quente é muito pequena. Aplicações com esse sistemas são interessantes quando se necessita um aquecimento ou resfriamento lento, ou seja, quando temos fluidos sensíveis a trocas repentinas de temperatura.
Já o segundo sistema contracorrente apresentou uma eficiência maior como já era esperada sendo a troca térmica mais gradativa, apresentando valores maiores de coeficiente global de troca térmica comparada ao primeiro sistema testado, isso se da por haver uma distância entre o ponto frio e o ponto quente. Este tipo de sistema é muito utilizado nas indústrias justamente por apresentar esta alta eficiência para aquecimentos e resfriamento de fluidos, quando os mesmo não apresentam problemas com trocas repentinas de temperatura.
Os valores de perda de carga para o sistema contracorrente se apresentaram altos, pois as perdas de energia para o aquecimento da mesma não foram considerados nos cálculos. Para verificar a veracidade, e fazer um melhor refinamento dos resultados obtidos é necessário repetições do experimento. Com uma maior quantidade de dados para um mesmo ponto de leitura seria possível realizar uma análise estatística da variância dos dados.
REFERÊNCIAS
ARAÚJO, Celso de. Transmissão de Calor. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1978.
ARAUJO, Everaldo Cesar da Costa. Trocadores de Calor. São Carlos: EdUFSCar, 2011.
KREITH, Frank; BOHN, Mark S. Princípios de Transferência de Calor.São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2003.
PERRY, Robert H.; CHILTON, Cecil H. Manual de Engenharia Química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1980.
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