trocadores de calor
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Trocadores de Calor
Jefferson OliveiraMário GomesNicolau Tecianelli Coutinho
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Condução, Convecção e Radiação Tipos de Trocadores de Calor Vantagens e desvantagens Principais Aplicações
Ementa
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Chama-se condução ao processo de propagação do calor nos sólidos
Bons condutores térmicos –transmitem facilmente o calor ao longo de toda a sua extensão (ex: metais)
Maus condutores térmicos (ou isoladores) – conduzem dificilmente o calor (ex:madeira,plástico, vidro e lã)
Condutividade térmica: grandeza que relaciona a facilidade que os materiais têm de conduzir o calor
Condução
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Exemplo de condução de calor
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A convecção é um processo de propagação do calor característico dos gases e líquidos.
Durante a convecção estabelecem-se correntes de ar quente com o sentido ascendente e de ar frio com o sentido descendente às correntes de convecção.
Convecção
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Exemplo de convecção de calor
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A radiação térmica é um processo de transferência de energia em que esta é transportada por ondas eletromagnéticas, sem que, para isso,seja necessário um meio material.
Qualquer corpo que se encontre a uma certa temperatura emite radiação térmica.
Um corpo que absorve bem é também um bom emissor de radiação.
Radiação
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Exemplo de radiação de calor
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Os trocadores de calor são equipamentos em que dois fluidos com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface metálica.
Esta troca térmica é empregada para atender às necessidades do processo e/ou economizar a energia que seria perdida para o ambiente.
No processo de troca térmica pode haver ou não troca de fase (condensação ou evaporação) dos fluidos envolvidos.
Trocadores de Calor
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Os trocadores de calor em unidades de processo, notadamente refinarias, devem atender a exigências de grandes vazões dos fluidos e/ou condições severas de temperaturas e pressão.
Na escolha do tipo de trocador entram fatores como características dos fluidos, custo, facilidade de manutenção e experiência do projetista.
Os de casco e o de tubos são o principal tipo de trocador encontrado em refinarias e serão tratados com mais detalhes
Escolha do tipo de Trocador de Calor
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Os tipos mais utilizados são:
1. Trocadores ‘duplo-tubo’ ou bitubulares 2. Trocadores casco-e-tubos 3. Trocadores de placas 4. Trocadores aletados (compactos)
Tipos Construtivos de Trocadores de Calor
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1. Trocadores ‘duplo-tubo’ ou bitubulares
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1. Trocadores ‘duplo-tubo’ ou bitubulares
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1. Consiste de um tubo montado internamente e concêntrico a um tubo de maior diâmetro. Acoplamentos hidráulicos (flanges etc.) servem para guiar os fluidos para o interior do trocador e de uma seção para outra.
2. O tubo interno geralmente possui aletas longitudinais soldadas internamente
3. Usado na maioria das vezes para transferência de calor sensível (aquecimento ou resfriamento) em situações onde áreas de troca pequenas ( até 50 m2) são necessárias. Condensação e ebulição em pequenas quantidades também podem ser acomodadas.
4. Em alguns casos, há um feixe tubular interno ao invés de um tubo.
5. Usado para vazões menores.
1. Trocadores ‘duplo-tubo’ ou bitubulares
Características Básicas
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Flexibilidade na aplicação, podendo ser conectados em diversos arranjos em série e/ou paralelo a fim de acomodar limitações de perda de carga e de temperatura;
Flexibilidade na montagem, podendo ser facilmente construídos a partir de componentes disponíveis (ex.: tubos, flanges, acoplamentos...) e também facilidade de aumento/redução da área de troca de acordo com variações no processo;
São de fácil manutenção e limpeza; Métodos de cálculo são razoavelmente bem estabelecidos e
precisos;
Vantagens
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A principal desvantagem deste tipo de trocador é o seu elevado custo por unidade de área de troca (quando comparado a outras configurações).
Desvantagens
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2. Trocadores Casco e Tubos
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É o tipo mais comum de trocador de calor, compreendendo diversos sub-tipos e configurações;
Resumidamente, consiste em um casco que contém em seu interior um feixe de tubos;
Um dos fluidos passa pelo casco enquanto o outro passa pelo feixe de tubos;
Características Básicas
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2. Trocadores Casco e Tubos
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(a) TUBOS: Componente básico do trocador, promovendo a área de
troca entre as duas correntes de fluido. Os tubos podem ser lisos ou possuir aletas de baixo perfil. Os tubos são mantidos no lugar pelas placas tubulares
(uma em cada extremidade do trocador – exceto para arranjos de tubos em U, onde há somente uma placa tubular).
(b) PLACA TUBULAR: Placa circular de metal perfurada na qual os tubos são
fixados (por solda, interferência, dilatação térmica...). A(s) placa(s) tubular(es) podem ser soldadas ou fixadas por meio de parafusos ao casco do trocador de calor.
2. Trocadores Casco e Tubos
Características Básicas
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(c) CASCO: Elemento metálico de formato cilíndrico que envolve o feixe tubular. Dependendo das dimensões, pode ser fabricado a
partir do corte de um tubo existente (D < 0.6 m), ou da calandragem de uma chapa metálica seguida de soldagem.
(d) BOCAIS (INJETORES e EJETORES): No lado do casco, são geralmente fabricados a partir
de seções de tubo soldadas ao casco, podendo estar acompanhados de placas de proteção de tubos.
No lado dos tubos, onde o fluido geralmente é o mais corrosivo (se for o caso), os injetores e ejetores podem ser protegidos por ligas especiais.
As placas de cobertura (‘channel covers’) são parafusadas ao(s) cabeçote(s) de maneira a permitir eventuais inspeções dos tubos e da(s) placa(s) tubular(es).
Características Básicas
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(e) CHICANAS: O arranjo de chicanas no lado do casco do trocador
serve a dois propósitos: (i) dar suporte aos tubos contra flexão e vibração, (ii) guiar o fluido do lado do casco através do feixe de tubos
de uma forma o mais próximo possível de um escoamento cruzado ideal.
Características Básicas
O tipo mais comum de chicanas são as segmentadas (comona figura), mas outros tipos estão disponíveis => pesquisa, patentes...
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São robustos e de construção relativamente simples; São de limpeza e manutenção relativamente simples (se
forem projetados corretamente...); Métodos de projeto existentes já foram bem testados; Flexibilidade na construção permite que praticamente
qualquer processo possa ser executado num trocador C-e-T (pressões e temperaturas extremamente baixas ou altas, altas diferenças de temperatura, mudança de fase, incrustações severas, fluidos corrosivos...).
Vantagens
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As duas últimas vantagens descritas no slide anterior são responsáveis pela maior desvantagem dos trocadores C e T Para grande parte das situações outros tipos de C-e-T. situações, trocador de calor executariam o processo de uma forma mais eficiente do que os trocadores C-e-T.
Desvantagens
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4.3. Trocadores de placas
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Trocadores de placas são um tipo de trocadores compactos. Definimos trocadores compactos como aqueles onde a
DENSIDADE DE ÁREA definida por:
Trocadores de placas
é maior do que700 m2/m3 se for gás-líquido
é maior do que400 m2/m3 se for líquido-líquido
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Há pelo menos 3 tipos diferentes de trocadores de placas, os
placas-e-armação (mais conhecidos e utilizados), os em espiral e os trocadores do tipo lamela.
Tipos de Trocadores de Placas
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Em sua variante mais comum, o trocador consiste de placas metálicas corrugadas montadas em uma armação. O conjunto
de placas compreende a superfície de troca e as ‘rugas’ promovem turbulência e minimizam regiões de estagnação e incrustação;
As juntas (geralmente de borracha, Viton ou Neoprene) têm o propósito de vedar as folgas entre placas adjacentes e delinear
os caminhos a serem percorridos pelas correntes;
Placas podem ser construídas a partir de qualquer material ‘prensável’. Os mais comuns são aço inox, titânio, Incoloy etc. Para aplicações sujeitas a corrosão severa, alguns fabricantes oferecem placas de grafite ou de materiais poliméricos;
Trocadores Placas e Amarração
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Os trocadores P-e-A foram usados inicialmente na indústria de laticínios, onde a necessidade de montagem, limpeza e desmontagem de fácil execução é mandatória;
A armação consiste de uma barra superior e de placas de pressão (uma fixa e a outra móvel) em ambas as extremidades do trocador. A flexibilidade de montagem e adaptação a mudanças do processo são características importantes deste trocador;
Trocadores P e A aplicam se a uma gama de processos incluindo líquido-líquido, condensação e evaporação. Sua utilização com gases e altas pressões não é recomendada (vedação).
Características básicas, Vantagens e Desvantagens
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4.4 Trocadores Aletados
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Trocadores Aletados - Tipos principais:
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Também são compactos e geralmente conhecidos como trocadores de placas-e-aletas (‘plate fin heat exchangers’);
São construídos a partir de placas paralelas e seções de aletas corrugadas unidas por diversos processos de
fabricação(‘vacuum brazing’, ‘diffusion-bonding’) umas sobre as outras (formando um “sanduíche”);
Características básicas, Vantagens e Desvantagens
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As matrizes são geralmente construídas de alumínio. Recentemente, outras ligas (incluindo aço inox) vêm sendo utilizadas;
Não permitem desmontagem; Alguns tipos de aletas:
Características básicas, Vantagens e Desvantagens
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A principal aplicação é em criogenia (processamento de gases liquefeitos).
No entanto, estes trocadores são encontrados em plantas petroquímicas, aplicações ‘off-shore’ etc
Trocadores Aletados -Aplicações