Petrobras - transcal - aprestentação 8

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TROCADORES DE CALOR 
DE PLACAS
Capítulo 7
04/2009
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Capítulo 7
7.1. Conceito
7.2. Estrutura
7.3. Componentes Mecânicos
7.4. Aplicações
7.5. Vantagens e Desvantagens
7.6. Comportamento Termofluidodinâmico
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3
7.1. Conceito
Trocadores de calor de placas
(Gasketed-plate heat exchangers,
Plate and frame heat exchangers)
A superfície de transferência de calor neste
tipo de equipamento é formada por um conjunto
de placas metálicas corrugadas, onde as correntes
de fluido escoam através dos canais formados pelo
espaçamento entre placas adjacentes.
4
7.2. Estrutura
Estrutura:
Fonte:
www.alfalaval.com
3
5
7.2. Estrutura
Estrutura:
Fonte:
Gut , 2003
6
7.2. Estrutura
Estrutura:
Fonte:
www.apiheattransfer.com/.../GasketedPHE.htm
4
7
7.2. Estrutura
Estrutura:
Placas térmicas
(Thermal plates)
8
7.2. Estrutura
Estrutura:
Placas terminais
(End plates)
5
9
7.2. Estrutura
Estrutura:
Placa fixa (Fixed frame)
Placa móvel
(Pressure plate)
10
7.2. Estrutura
Estrutura:
Barramento inferior (Guide bar)
Barramento superior (Carrier bar)
6
11
7.2. Estrutura
Estrutura:
Coluna de sustentação
(End support column)
12
7.2. Estrutura
Estrutura:
Fonte:
Gut , 2003
7
13
7.3. Componentes Mecânicos
Os principais componentes mecânicos dos
trocadores de calor de placas podem ser
encontrados nas seguintes faixas de dimensões:
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
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As placas para transferência de calor
correspondem a placas metálicas corrugadas com
espessura de 0,5 mm a 1,0 mm.
Estas placas são mantidas afastadas a uma
distância de 2 mm a 5 mm, correspondendo a um
diâmetro equivalente do canal de escoamento de 4
mm a 10 mm.
7.3.1. Placas
8
15
7.3.1. Placas
Fonte:
www.gea.co.za
16
7.3.1. Placas
Fonte:
Gut , 2003
9
17
Há uma variedade de modelos de placas de
acordo com diferentes padrões de corrugação,
normalmente associados a tecnologias patenteadas.
As corrugações promovem turbulência no
escoamento, aumentando desta forma os
coeficientes de transferência. As corrugações
também contribuem para uma maior resistência
mecânica das placas.
7.3.1. Placas
18
De uma forma geral, os tipos básicos de
corrugação mais utilizados são:
- Chevron ou herringbone (“espinha de peixe”)*
- Intermating ou washboard (“tábua de lavar”)
* Alternativa mais comum
7.3.1. Placas
10
19
Placa corrugada tipo Chevron:
7.3.1. Placas
Fonte: www.ittstandard.com/pdf/BRZBRO.PDF
20
Placa corrugada tipo Intermating:
7.3.1. Placas
Fonte: www.tmec.co/tmecadvisor_articles
11
21
7.3.1. Placas
Fonte:
Gut , 2003
22
O direcionamento dos fluidos através dos
canais de escoamento e a vedação para que não
haja vazamentos são garantidos através da
inserção adequada de gaxetas entre placas
adjacentes.
7.3.1. Placas
12
23
7.3.1. Placas
Fonte: www.foodprocessing-technology.com
24
7.3.1. Placas
Fonte: www.engnetglobal.com
13
25
As placas podem ser organizadas de
diferentes maneiras, propiciando várias
alternativas de número de passes para cada
corrente (considera-se um passe quando uma
corrente atravessa o trocador verticalmente).
Por exemplo: 1/1, 2/2, 2/1, etc.
7.3.1. Placas
26
7.3.1. Placas
Arranjo 1-1:
Contracorrente
14
27
7.3.1. Placas
Arranjo 1-1:
Cocorrente
28
7.3.1. Placas
Arranjo 1-1:
Contracorrente – Tipo U
15
29
7.3.1. Placas
Arranjo 1-1:
Contracorrente – Tipo Z
30
7.3.1. Placas
Arranjo 2-2:
16
31
7.3.1. Placas
Arranjo 2-1:
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7.4. Aplicações
Os trocadores de placas, tradicionalmente
utilizados nas indústrias de alimentos, tem ganho
cada vez mais espaço na execução de diversos
serviços em indústrias químicas e petroquímicas.
Uma restrição importante ao seu uso consiste
na faixa de condições operacionais adequadas a
sua operação, limitada pela resistência das gaxetas
a vazamentos.
17
33
7.4. Aplicações
Em geral, pode-se estabelecer os seguintes
limites de severidade relativos às condições
operacionais do serviço para utilização de
trocadores de placas:
Pressão inferior a 30 bar
Temperatura inferior a 180 ºC
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7.4. Aplicações
Os trocadores de placas são principalmente
utilizados para operações envolvendo líquidos, ou
até mesmo, condensação e vaporização. Seu
emprego é bem menos comum em serviços
envolvendo correntes gasosas.
No caso de valores mais limitados de queda
de pressão disponível, a utilização de trocadores de
placas também apresenta restrições.
18
35
7.5. Vantagens e Desvantagens
Em várias situações, os trocadores de placas,
quando comparados a trocadores de calor casco-e-
tubos, permitem executar um determinado serviço
térmico a um custo significativamente inferior.
���� Investimento:
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Em trocadores de calor de placas, é possível
alcançar valores de coeficientes de convecção até
três vezes maiores que em trocadores de calor
casco-e-tubos em condições equivalentes.
Este desempenho privilegiado pode ser
explicado pela turbulência promovida no
escoamento entre as placas, ausência de correntes
de vazamento e diminutos valores de diâmetro
equivalente.
���� Desempenho térmico:
7.5. Vantagens e Desvantagens
19
37
Em função da sua alta efetividade, é possível
utilizar trocadores de placas em serviços com
approaches significativamente pequenos, de até 2
ºC.
���� Desempenho térmico:
7.5. Vantagens e Desvantagens
38
Através da inclusão ou retirada de placas, a
área de troca térmica pode ser facilmente
modificada.
Alterações na organização das placas
também permitem modificar o número de passes
de cada fluido no interior do trocador.
���� Flexibilidade:
7.5. Vantagens e Desvantagens
20
39
Os trocadores de calor de placas são mais
compactos, reduzindo sensivelmente o espaço
ocupado em relação a uma determinada área de
troca térmica (↑↑↑↑ m2/m3).
Através da utilização de placas conectoras, é
possível transferir calor entre três ou mais fluidos,
abrindo a possibilidade de diminuição do número
de equipamentos térmicos necessários para a
execução de um determinado serviço.
���� Espaço físico:
7.5. Vantagens e Desvantagens
40
Os problemas de deposição são reduzidos
através do uso de trocadores de placas (autores
sugerem adotar resistências de depósito
equivalentes a 20% dos valores relativos a
trocadores casco-e-tubos).
Este fato ocorre devido à ausência de espaços
mortos nos canais e baixo tempo de residência dos
fluidos no interior do equipamento.
���� Deposição:
7.5. Vantagens e Desvantagens
21
41
Caso seja necessário, é possível abrir o
trocador e efetuar a limpeza em ambos os lados da
superfície de troca térmica.
Placas danificadas também podem ser
facilmente substituídas.
���� Manutenção:
7.5. Vantagens e Desvantagens
42
Trocadores de calor de placas resistem a
choques térmicos e não apresentam problemas de
vibração.
���� Integridade estrutural:
7.5. Vantagens e Desvantagens
22
43
Devido a restrições nas gaxetas, trocadores
de placas não podem ser utilizados em condições
de operação mais severas.
���� Limitação de uso:
7.5. Vantagens e Desvantagens
44
Trocadores de calor de placas implicam em
valores mais elevados de queda de pressão.
���� Perda de carga:
7.5. Vantagens e Desvantagens
23
45
A identificação de vazamentos devido a furos
nas placas pode ser uma tarefa difícil.
���� Vazamentos:
7.5. Vantagens e Desvantagens
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7.6. Comportamento Termofluidodinâmico
As metodologias de cálculo mais rigorosas
são mantidas em sigilo pelo fabricantes de
trocadores de placas, não havendo interesse em sua
divulgação. Adicionalmente, os cálculos térmicos e
hidráulicos envolvem correlações específicas para
cada determinado layout de placa.
24
47
7.6. Comportamento Termofluidodinâmico
Desta forma, é comum basear o
dimensionamento deste tipo de unidade através de
consultas a fabricantes ou a utilização de softwares
disponibilizados pelos mesmos.
48
7.6. Comportamento Termofluidodinâmico
Entretantohá correlações disponibilizadas
na literatura que permitem a realização de cálculos
térmicos envolvendo trocadores de placas com um
certo grau de acurácia.
Nesta disciplina, vamos discutir uma
metodologia de cálculo baseada nos trabalhos de
Bond (1981) e Kumar (1984), válida para
trocadores com placas do tipo Chevron sem
mudança de fase.
25
49
���� Ângulo Chevron (ββββ):
Em geral: 25º < ββββ < 65º
7.6.1. Parâmetros geométricos
50
���� Fator de ampliação (µµµµ):
Razão entre os comprimentos real e projetado
ao longo das corrugações (normal à concavidade):
Comprimento projetado
Comprimento real
µµµµ = (Comprimento real / Comprimento projetado)
1,10 < µµµµ < 1,25
µµµµ = 1,17 (típico)
7.6.1. Parâmetros geométricos
26
51
���� Espaço médio dos canais (b):
7.6.1. Parâmetros geométricos
t
N
L
N
tNL
b
p
epa
p
pepa −≈
−
−
= cotcot
1
p (plate pitch)t (thickness)
b = p – t
Chevron:
52
���� Largura efetiva da placa (w):
7.6.1. Parâmetros geométricos
w
27
53
L
7.6.1. Parâmetros geométricos
���� Comprimento efetivo de troca térmica (L):
54
Lp
Observação: No caso de múltiplos passes, este valor deve ser
multiplicado pelo número de passes nos cálculos hidráulicos.
7.6.1. Parâmetros geométricos
���� Comprimento efetivo do escoamento (Lp):
28
55
Observação:
Em cálculos práticos, muitas vezes utiliza-se a área projetada.
7.6.1. Parâmetros geométricos
���� Área de troca térmica (Aproj e Atot):
wLAproj =Área projetada:
Área real: wLAtot µ=
56
Dp
7.6.1. Parâmetros geométricos
���� Diâmetro do orifício da placa (Dp):
29
57
���� Diâmetro equivalente (Deq):
7.6.1. Parâmetros geométricos
w
c
eq
P
A
D 4=
bwAc =
)(2 µ+= wbPw
)(2
4
wb
bw
Deq µ+
=
Em geral: w >> b
µ
=
b
Deq
2
58
���� Correlação – Kumar (1984) :
7.6.2. Coeficiente de convecção
17,033,0 )/(PrRe p
a
CNu µµ=
Em um canal:
30
59
7.6.2. Coeficiente de convecção
ββββ Re C y
≤30º
≤10 0,718 0,349
>10 0,348 0,663
45º
≤10 0,718 0,349
10 - 100 0,400 0,598
>100 0,300 0,663
50º
< 20 0,630 0,333
20 – 300 0,291 0,591
> 300 0,130 0,732
60º
< 20 0,562 0,326
20 – 400 0,306 0,529
> 400 0,108 0,703
≥ 65º
< 20 0,562 0,326
20 – 500 0,331 0,503
>500 0,087 0,718
Parâmetros:
60
���� Correlação – Kumar (1984) :
7.6.3. Fator de atrito
z
Kf
−= Re
Em um canal:
31
61
ββββ Re K z
≤30º
≤10 200 1
10-100 77,60 0,589
>100 11,96 0,183
45º
≤10 188 1
10 - 100 73,16 0,652
>100 5,764 0,206
50º
< 20 136 1
20 – 300 45 0,631
> 300 3,088 0,161
60º
< 20 96 1
20 – 400 12,96 0,457
> 400 3,04 0,215
≥ 65º
< 20 96 1
20 – 500 11,2 0,451
>500 2,556 0,213
Parâmetros:
7.6.3. Fator de atrito
62
Perda de carga no orifício da placa :
g
v
KN
g
P
p
2
2
=
ρ
∆
onde Np é o número de passes e K = 1,3
7.6.4. Observações
32
63
7.6.5. Diferença de temperatura
As placas podem ser organizadas para
garantir escoamento contracorrente. Neste caso, é
possível utilizar o método LMTD nos cálculos
térmicos, adotando um fator de correção unitário.
Entretanto, esta abordagem só pode ser
utilizada se o número de canais por passe é
superior a 20, quando os efeitos das extremidades
do trocador e/ou da placa central em um arranjo
2-2 tornam-se desprezíveis.
64
7.6.5. Diferença de temperatura
Para configurações diferentes, pode-se
utilizar o método LMTD associado ao fator de
correção correspondente.
33
65
7.6.5. Diferença de temperatura
���� Fator de correção 2 passes/1 passe
Fonte: Saunders , 1988