Trocador de energia térmica
[Imagem:Tubular heat exchanger.png|thumb|300px|Trocador de calor tubular.]]
Um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo para transferência de calor eficiente de um meio para outro.Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca misturam-se, ou podem estar em contato direto.[1] Um permutador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determinado fluido. São amplamente usados em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural, e tratamento de águas residuais. Em muitos textos em inglês é abreviado para HX (heat exchanger).
Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro, no qual a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor, transfere calor para o ar fluindo através do radiador (i.e. o meio de transferência de calor). Em outras aplicações são usados para refrigeração de fluidos, sendo os mais comuns, óleo e água e são construídos em tubos, onde, normalmente circula o fluido refrigerante (no caso de um trocador para refrigeração). O fluido a ser refrigerado circula ao redor da área do tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a uma Serpentina (duto)) que possui uma ampla área geometricamente favorecida para troca de calor.
O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmente possui um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas.
Dentro da teoria em engenharia, é um volume de controle, sendo que este equipamento normalmente opera em regime permanente, onde as propriedades da seção de um fluido não se altera com o tempo.
A eficiência de um trocador de calor depende principalmente:
- Do material utilizado para construção;
- Da característica geométrica e
- Do fluxo, temperatura e coeficiente de condutibilidade térmica dos fluidos em evidência.
Genericamente, para melhorar a troca de calor, são colocados aletas em toda a área da tubulação. Estas aletas fazem com que o fluido se disperse em áreas menores, assim, facilitando a troca de calor. Aletas, consistem em células interligadas entre si, onde circula fluido. São construídas em materiais de excelente condutibilidade térmica. Seu uso, acarreta uma grande desvantagem em um sistema termodinâmico, pois reduzem drasticamente a pressão com relação a entrada e saída. A maioria dos trocadores de calor, utilizam tubos com geometrias que favorecem a troca de calor, onde internamente, há em sua área aletas.
Os permutadores de calor existem em várias formas construtivas consoante a aplicação a que se destinam, sendo as principais:
- Permutador de calor de carcaça e tubos (em inglês shell and tube heat exchanger)
- Permutador de calor de placas (plate heat exchanger)
- Permutador de calor de placas brasadas com aletas (brazed plate fin heat exchanger)
Quanto as fases, existem 2 tipos de trocadores de calor:
- Monofásico, onde não há mudança de fase no fluido a ser refrigerado ou aquecido e
- Multifase, onde há mudança de estado físico do fluido.
Exemplo de trocadores de calor monofásicos: Radiador de água e intercooler (ou radiadores a ar).
Exemplo de trocadores de calor multifase: Condensador e evaporadores.
Regime de fluxo
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Fig. 1: Trocador de calor casco e tubos, passagem única (fluxo paralelo 1-1)
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Fig. 2: Trocador de calor casco e tubo, 2 passagens pelos tubos (fluxo contracorrente 1-2)
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Fig. 3: Trocador de calor casco e tubo, 2 passagens pelo casco, 2 passagens pelos tubos (fluxo contracorrente 2-2)
Existem duas classificações primárias de trocadores de calor de acordo com seus arranjos de fluxos. Em trocadores de calor de fluxo paralelo, os dois fluidos entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro lado. Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste pode-se transferir a maior parte do calor do meio quente (de transferência). Ver troca em contracorrente. Em trocadores de calor contracorrente, os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si através do trocador.
Para maior eficiência, trocadores de calor são projetados para maximizar a área de superfície da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao fluxo do fluido através do trocador. O desempenho do trocador também pode ser afetado pela adição de aletas ou ondulações em um ou ambos os sentidos, o que aumenta a área de superfície e pode aumentar o fluxo em canal do fluido ou induzir turbulência.
A temperatura de condução através da superfície de transferência de calor varia com a posição, mas uma temperatura média adequada pode ser definida. Na maioria dos sistemas simples, esta é a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD, log mean temperature difference). Às vezes, o conhecimento direto da LMTD não está disponível e o Método das NTU (número de unidades de transferência, em inglês Number of Transfer Units ) é usado.
Tipos de trocadores de calor
Trocador de calor casco e tubo
Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos e pode ser feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260°C).[2] Isso ocorre porque os trocadores de calor casco e tubo são robustos, devido à sua forma.
Existem várias características de projeto térmico, que devem ser tidas em conta quando projeta-se os tubos nos trocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem:
- Diâmetro dos tubos: Usar-se tubos de pequeno diâmetro faz o trocador de calor tanto econômico como compacto. No entanto, é mais provável o trocador de calor incrustam mais rapidamente e pequeno tamanho faz a limpeza mecânica das incrustações difícil. Ao prevalecer a incrustação e os problemas de limpeza, tubos de diâmetros maiores devem ser utilizados. Assim, para determinar o diâmetro de tubos, o espaço disponível, custos, incrustação, bem como a natureza dos fluidos devem ser considerados.
- Espessura de parede de tubo: A espessura das paredes dos tubos é normalmente determinada de maneira a garantir:
- Existir espaço suficiente para a corrosão
- Que a vibração induzida por fluxo tenha resistência
- Resistência axial
- Disponibilidade de peças sobressalentes
- Resistência de contenção ou "de cintura" (para suportar a pressão do tubo interno)
- Resistência à flambagem (para suportar sobrepressão no casco)
- Comprimentos dos tubos: trocadores de calor são normalmente mais baratos quando ten um menor diâmetro de casco e um longo comprimento de tubo. Assim, normalmente há um objetivo de tornar o trocador de calor, enquanto ao mesmo tempo fisicamente possível, não excedendo as capacidades de produção. No entanto, existem muitas limitações para isso, inclusive o espaço disponível no local onde vai ser utilizado e a necessidade de assegurar que não haja tubos disponíveis em comprimentos que são o dobro do comprimento necessário (para que os tubos possam ser retirados e substituídos). Além disso, o que tem que ser lembrado, os tubos finos são difíceis de remover e substituir.
- Passo (pitch) dos tubos: quando projeta-se os tubos, é prático para garantir que o passo (pitch) dos tubos (i.e., a distância do centro do tubo ao centro de tubos adjacentes) não seja inferior a 1,25 vezes o diâmetro dos tubos externos. Um passo maior dos tubos leva a um maior diâmetro global do casco que leva a um trocador de calor mais caro.
- Corrugação dos tubos: este tipo de tubos, tubos corrugdos, utilizados principalmente para os tubos internos, aumenta a turbulência dos fluidos e o efeito é muito importante na transferência de calor dando um melhor desempenho.
- Distribuição ou configuração (layout) dos tubos: refere-se a como os tubos são posicionados dentro do casco. Existes quatro tipos principais de configuração dos tubos, os quais são, triangular (30°), triangular "girado" (60°), quadrado (90°) ou quadrado girado (45°). Os padrões triangulares são empregados para produzir maior transferência de calor em que força-se o fluido a fluir de uma forma mais turbulenta ao redor da tubulação. Padrões quadrados são empregados onde alta incrustação é experimentada e operações de limpeza são mais regulares.
- Projeto das chicanas: chicanas ou defletores são usados em trocadores de calor casco e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. Eles correm perpendicularmente ao caso e mantém coeso e fixo o feixe de tubos, evitando que os tubos de vergarem ao longo de um comprimento longo. Eles também podem impedir que os tubos vibrem excessivamente. O tipo mais comum de chicana é a chicana segmentar. As chicanas segmentares semicirculares são orientadas a 180 graus para as chicanas adjacentes forçando o líquido a fluir para cima e para baixo entre o feixe de tubos. Chicanas de espaçamento são de grande importância termodinâmica no projeto de trocadores de calor de casco e tubo. Chicanas devem ser espaçadas, tendo em consideração para a conversão da queda de pressão e transferência de calor. Para a otimização térmica e econômica é sugerido que as chicanas sejam espaçados não mais de 20% do diâmetro interno do casco. Tendo-se chicanas espaçadas muito próximas provoca-se uma maior queda de pressão por causa do redirecionamento de fluxo. Consequentemente com as chicanas espaçadas significa que pode haver regiões mais frias nos cantos entre as chicanas. Também é importante para garantir que as chicanas sejam espaçadas perto o suficiente para que os tubos não cedam. O outro tipo principal de defletor é o disco e defletor de rosca, que consiste de dois defletores concêntricos, o defletor exterior mais amplo parece uma rosquinha (donut), embora o defletor interno é em forma de disco. Este tipo de defletores forçam o fluido a passar em torno de cada lado do disco, em seguida, através do defletor donut gerando um tipo diferente de fluxo de fluido.
Trocador de calor de placas
Outro tipo de trocador de calor é o trocador de calor de placas. Um deles é composto por placas múltiplas, finas, levemente separadas que têm áreas de superfície muito grande e as passagens de fluxo de fluido de transferência de calor. Este arranjo empilhado de placas pode ser mais eficaz, em um determinado espaço, que o trocador de calor de casco e tubos. Avanços na tecnologia de vedação e brasagem fizeram o permutador de calor do tipo placa cada vez mais prático. Em aplicações HVAC, grandes trocadores de calor deste tipo são chamados placas-e-quadros, quando utilizados em circuitos abertos, estes trocadores de calor são normalmente do tipo vedado permitindo desmontagem, limpeza e inspeção periódica. Existem muitos tipos de trocadores de calor de placa permanentemente ligadas, tais como variedades de placa brasadas por imersão e brasadas a vácuo, e muitas vezes são especificados para aplicações de circuito fechado, como refrigeração. Trocadores de calor de placas também diferem no tipo de placas que são utilizadas, e nas configurações das placas. Algumas placas podem ser carimbados com o "chevron" (forma de insígnia), ou outros padrões, onde outros possam ter aletas e/ou ranhuras usinadas.
Trocador de calor circular adiabático
Um quarto tipo de trocador de calor utiliza um fluido intermediário ou armazena sólidos para manter o calor, que é então transferido para o outro lado do trocador de calor a ser liberado. Dois exemplos disso são rodas adiabáticas, que consistem em uma grande roda com linhas finas em rotação através dos quais fluem os fluidos quentes e frios, e trocadores de calor fluido.
Trocador de calor de placas aletadas
Este tipo de trocador de calor utiliza com passagens em "sanduíche" para aumentar a efetividade da unidade. Os projetos incluem fluxo transversal e contrafluxo com diversas configurações de aletas tais como aletas retas, aletas deslocadas e as aletas onduladas.
Trocadores de calor de placas aletadas são normalmente feitos de ligas de alumínio, que proporcionam maior eficiência de transferência de calor. O material permite que o sistema funcione a baixa temperatura e reduzem o peso do equipamento. Trocadores de calor de placas aletadas são usados principalmente para serviços de baixa temperatura, como plantas de liquefação de gás natural, hélio e oxigênio, as plantas de separação de ar e na indústria de transportes como motores e motores de aeronaves.
Vantagens de trocadores de calor de placas e aletas:
- Alta eficiência de transferência de calor especialmente em tratamento de gás
- Maior área de transferência de calor
- Aproximadamente 5 vezes mais leves em peso que os de correspondentes em capacidade trocadores de calor de casco e tubos
- Capaz de suportar a alta pressão
Desvantagens de trocadores de calor de placas e aletas:
- Pode ocorrer entupimento das vias que são muito estreitas
- Dificuldade de limpar as vias
Trocadores de calor fluidos
Este é um trocador de calor com um gás que passa para cima através de um banho de líquido (frequentemente água), e o fluido é, então, levado para outro lugar antes de ser refrigerado. Isto é comumente utilizado para o resfriamento de gases ao mesmo tempo que remove-se certas impurezas, assim, resolve-se dois problemas de uma vez. É amplamente utilizado em máquinas de café expresso como um método de poupar-se energia de resfriamento de água super-aquecida para ser utilizada na extração do expresso.
Unidades de recuperação de calor de resíduos
Uma unidade de recuperação de calor (WHRU, Waste Heat Recovery Unit) é um trocador de calor que recupera o calor de um fluxo de gás quente durante sua transferência para um meio de trabalho, geralmente água ou óleo. O fluxo de gás quente pode ser o gás de exaustão de uma turbina a gás ou um motor a diesel ou a gás de resíduos provenientes da indústria ou da refinaria.
Trocador de calor de superfície raspada dinâmico
Outro tipo de trocador de calor é chamado "trocador de calor de superfície raspada (dinâmico)".[3] São principalmente usados em aquecimento ou resfriamento com produtos altamente viscosos, processos de cristalização, aplicações de evaporação e alta incrustação. Longos tempos de atividade são alcançados devido à raspagem contínua da superfície, evitando assim incrustação e alcançando uma taxa de transferência de calor sustentável durante o processo.
A fórmula usada para isto será <math>Q=A.U.LMTD</math>, onde Q é a taxa de transferência de calor.
Trocadores de calor de mudança de fase
Em adição a aquecimento ou resfriamento de fluidos em apenas uma única fase, trocadores de calor podem ser utilizados para aquecer um líquido para evaporá-lo (ou fervê-lo) ou são utilizados como condensadores arrefecendo um vapor e condensando-o em um líquido. Em plantas químicas e refinarias, refervedores utilizados para aquecer alimentos de entrada para torres de destilação são frequentemente trocadores de calor.[4][5]
Instalações de destilação normalmente utilizam condensadores para condensar os vapores destilados novamente em líquido.
Usinas que tenham turbinas movidas a vapor comumente utilizam trocadores de calor para ferver água em vapor. Trocadores de calor ou unidades similares para a produção de vapor de água são frequentemente chamadas caldeiras ou geradores de vapor.
Em plantas de usinas nucleares chamadas reatores de água pressurizada (PWR, Pressurized Water Reactor), trocadores de calor especialmente grandes os quais passam o calor do reator do sistema primário (palnta do reator nuclear) para o secundário (planta de vapor), produzindo vapor da água no processo, são chamados geradores de vapor. Todas as usinas de energia fóssil e nuclear usando turbinas impulsionadas a vapor, tem condensadores de superfície para converter o vapor de exaustão das turbinas em condensado (água) para reutilização.[6][7]
Para conservar a energia e capacidade de resfriamento em indústrias químicas e outras plantas, trocadores de calor regenerativos podem ser usados para a transferência de calor de uma corrente (fluxo) que precisa ser resfriado a uma outra corrente que precisa ser aquecida, tal como um destilado de arrefecimento e alimentação do refervedor de pré-aquecimento.
Este termo pode também referir-se trocadores de calor que contêm um material dentro de sua estrutura que tem uma mudança de fase. Isso geralmente é uma fase sólida para uma líquida, devido à pequena diferença de volume entre estes estados. Esta mudança de fase efetivamente atua como um "amortecedor" (buffer), pois ocorre a uma temperatura constante, mas ainda permite que o trocador de calor receba o calor adicional. Um exemplo onde isto tem sido investigado é para o uso em eletrônicos de aeronaves de alta potência.
Trocadores de calor de contato direto
Trocadores de calor de contato direto envolvem transferência de calor entre correntes quentes e frias de duas fases na ausência de uma parede de separação.[8] Assim tais trocadores de calor podem ser classificados como:
- Gás– líquido
- Líquido imiscível – líquido
- Sólido-líquido ou sólido-gás
A maioria dos trocadores de calor contacto directo caem sob a categoria Gás-Líquido, onde o calor é transferido entre gás e líquido na forma de gotas, filmes ou sprays.[2]
Tais tipos de trocadores de calor são usados predominantemente em ar condicionados, umidificação de ambientes, resfriamento de água e plantas de condensação.[9]
| Fases[10] | Fase contínua | Força condutora | Mudança de fase | Exemplos |
|---|---|---|---|---|
| Gás – Líquido | Gás | Gravidade | Não | Colunas spray, colunas rechedas |
| Sim | Torres de resfriamento, evaporadores por gotejamento | |||
| Forçada | Não | Resfriadores spray/supressores | ||
| Fluxo líquido | Sim | Condensadores spray/Condensadores e evaporadores por jato | ||
| Líquido | Gravidade | Não | Coluna de bolhas, colunas de bandejas perfuradas | |
| Sim | Condensadores de coluna de bolhas | |||
| Forçada | Não | Espargidores de gás | ||
| Fluxo de gás | Sim | Evaporadores de contato direto, combustão submersa |
- ↑ Sadik Kakaç and Hongtan Liu. Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design. 2nd Edition ed. [S.l.: s.n.], 2002. ISBN 0849309026
- ↑ 2,0 2,1 Saunders, E. A. (1988). Heat Exchanges: Selection, Design and Construction. New York: Longman Scientific and Technical.
- ↑ Unicus® Dynamic Scraped Surface Heat Exchanger - www.hrs-spiratube.com
- ↑ Kister, Henry Z.. Distillation Design. 1st Edition ed. [S.l.: s.n.], 1992. ISBN 0-07-034909-6
- ↑ Perry, Robert H. and Green, Don W.. Perry's Chemical Engineers' Handbook. 6th Edition ed. [S.l.: s.n.], 1984. ISBN 0-07-049479-7
- ↑ Air Pollution Control Orientation Course from website of the Air Pollution Training Institute
- ↑ Energy savings in steam systems {{#invoke:Wayback|wayback}} Figure 3a, Layout of surface condenser (ir até a página 11 das 34 do PDF)
- ↑ Coulson, J. & Richardson, J. (1983), Chemical Engineering – Design (SI Units), Volume 6, Pergamon Press, Oxford.
- ↑ Hewitt G, Shires G, Bott T (1994), Process Heat Transfer, CRC Press Inc, Florida.
- ↑ Table: Various Types of Gas - Liquid Direct Contact Heat Exchangers (Hewitt G, Shires G & Bott T, 1994)