trocadores de calor

TROCADORES

DE CALOR

Discentes: Andréa Pires Bianca

Fernandes Gabriela Vilela

Janayna Silva Juliana Borges Maria Emília Raquel Faleiros

Docente: Fernanda DiamantinoDisciplina: Operações Unitárias III

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CONCEITO

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Um trocador de calor é um dispositivo termodinâmico que permite a troca de calor entre dois ou mais fluidos a temperaturas diferentes. São amplamente utilizados em processos industriais onde se deseja aquecer ou resfriar um fluido. Possui aplicações em varias áreas da indústria.

CONCEITO

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CONCEITO

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CONCEITO

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O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais:

• Análise Térmica; • Projeto Mecânico Preliminar; • Projeto de Fabricação.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

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Os trocadores de calor permitem o aquecimento de um fluido (fluido frio) para atender as condições de processo através do resfriamento de outro fluido (fluido quente) existente no mesmo processo.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

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Vantagens:

• Aumento de temperatura sem a necessidade da queima de combustível;• Evita-se que a energia em um fluido já processado seja desperdiçada para o meio ambiente.

TIPOS

Diferentes aplicações de transferência de calor requerem diversos tipos de dispositivos, o que resultou em inúmeros tipos de projetos inovadores de trocadores de calor.

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TIPOS

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Esses projetos podem ser classificados quanto ao processo de transferência:

TIPOS

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Quanto ao contato entre as correntes:

TIPOS

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Quanto à razão área de troca/volume:

TIPOSQuanto à construção:

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TIPOS

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Quanto à disposição das correntes:

TIPOS

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Quanto ao mecanismo de transferência de calor:

TIPOS

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Dentre os principais tipos de trocadores de calor, destacam-se:• Duplo tubo;• Casco e tubo;• Serpentina;• Aletados;• Placas.

TIPOS

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Trocador de Calor Duplo Tubo

• Composto por dois tubos concêntricos;• Um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular;• A troca de calor ocorre através da parede do tubo interno;• Usado em aplicações de pequenas capacidades; • Fácil manutenção.

TIPOS

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Trocador de Calor Casco e Tubo

• Composto por casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos;• Um dos fluidos escoa pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos;• São os mais usados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, etc.;• Fácil fabricação e custo relativamente baixo.

TIPOS

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• As serpentinas para trocadores de calor são responsáveis por fazerem a troca de calor entre dois fluidos;• Podem ser encontradas em condensadores, aquecedores, aparelhos de evaporação e em muitos outros locais de aplicação.

Trocador de Calor em Serpentina

TIPOS

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Trocador de Calor em Serpentina

TIPOS

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Trocador de Calor em Serpentina

O formato e o tamanho das serpentinas para trocadores de calor podem ser bem variados. É possível encontrar serpentinas para trocadores de calor em espiral, planas, circulares, helicoidais, entre outros. Tudo vai depender do modo de uso e das especificações técnicas exigidas por cada projeto.

TIPOS

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Trocadores de Calor Aletados

• Trocadores de calor de placas aletadas são normalmente feitos de ligas de alumínio, que proporcionam maior eficiência na transferência de calor;• São usados principalmente para serviços de baixa temperatura, como plantas de liquefação de gás natural, hélio e oxigênio, plantas de separação de ar, e na indústria de transportes como motores e motores de aeronaves.

TIPOS

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• São construídos de forma que aletas planas ou onduladas são separadas por chapas planas;• Correntes cruzadas, contracorrente ou correntes paralelas são arranjos facilmente obtidos.

Trocadores de Calor de placa aletada

TIPOS

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•  São geralmente construídos com tubos cilíndricos ou chatos onde são instaladas aletas;• Suportam altas pressões.

Trocadores de Calor de tubo aletado

TIPOS

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Trocador de Calor de Placas

• Consiste de um suporte, onde placas independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam;• Facilidade de acesso a superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza.

TIPOS

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Para uma breve comparação entre os 3 principais tipos de trocadores de calor, as vantagens e desvantagens de cada estão apresentadas abaixo:

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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Grandeza importante para:

• A análise e modelagem de um trocador de calor, por influenciar na eficiência;• Comparar os equipamentos disponíveis no mercado.

Q = U . A . Dt• Q - a quantidade de calor trocado;• U - o coeficiente global de troca térmica;• A - a área de troca de calor;• Dt - a diferença de temperatura entre os dois fluidos, para toda a superfície A.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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Em uma operação normal, pode ser determinado através da equação:

• c e h referem-se a fluidos frio e quente, respectivamente;• U é coeficiente global de transferência de calor;• h é coeficiente de película; • R’’f é fator de incrustação; • Rw é resistência à condução na parede; • ɳ é eficiência das aletas.

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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Fatores de incrustações – R’’f

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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Coeficiente global de transferência de calor

CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA

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De uma maneira geral, além do coeficiente de transferência de calor outros fatores influenciam no desempenho do trocador:

• Características dos fluidos;• Temperaturas de operação;• Pressões de operação;• Velocidade de escoamento.

CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA

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• Características dos fluidos• A condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico são fatores altamente influenciáveis na eficiência dos trocadores de calor;

• Corrosividade, toxicidade, inflamabilidade e abrasividade são fatores que influenciam na vida útil do trocador e na segurança da operação.

• Temperaturas de operação• Ao ter as temperaturas de operação especificadas, levar em consideração os materiais utilizados.

CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA

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• Pressões de operação

• Altas pressões podem acarretar em danos ao equipamento, perigo de explosões e vazamentos, enquanto que pressões muito baixas podem diminuir consideravelmente a troca térmica efetiva.

CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA

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• Velocidade de escoamento

• Quanto maior a velocidade de escoamento, maior é a turbulência dentro do trocador e mais efetiva será a troca térmica.

MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO

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• Para que a integridade e a eficiência do trocador de calor sejam mantidos, é preciso que haja uma frequente inspeção de suas peças;•Para verificar se as paredes do trocador estão em bom estado, usa-se dois métodos:

•o método do gás hélio;•o método da corrente parasita.

MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO

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Incrustações• Problema frequente que prejudica o rendimento em trocadores de calor;

•Dois problemas de incrustação são bastante comuns:• as águas doces pouco tratadas frequentemente usadas como água de resfriamento;• e o chamado tártaro, que é composto de camadas depositadas de compostos químicos como carbonato de cálcio ou carbonato de magnésio.

MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO

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Incrustações

• Trocadores de calor tipo placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente;• Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por métodos como a limpeza ácida, jateamento e jato de água de alta pressão;• A limpeza mecânica, pode ser usada desde que as camadas não estejam extremamente agregadas aos tubos, removendo uma quantidade satisfatória destas.

MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO

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Incrustações

• Existem mecanismos de monitoramento contínuo tal como o sensor Neosens, que mede tanto a espessura das incrustações, temperatura e permite aperfeiçoar a utilização de produtos químicos;• Um dos métodos principais de evitar as incrustações é fazer a devida limpeza e manutenção do trocador ao longo do tempo de uso.

APLICAÇÕESEquipamento Função

AquecedorFornece o calor sensível a um líquido ou a um gás mediante a condensação de vapor de água ou de um líquido térmico.

Caldeira RecuperadoraProduz vapor: é análoga a um gerador de vapor, mas o meio de aquecimento é um gás ou um líquido quente produzido numa reação química.

CondensadorCondensa um vapor ou uma mistura de vapores, seja isoladamente, seja na presença de um gás não condensável.

Gerador de vaporGera vapor para ser empregado em outro ponto da instalação mediante a calor disponível num óleo pesado ou alcatrão.

PermutadorEfetua uma função dupla: (1) Aquece um fluido frio mediante (2) mediante um fluido quente que é resfriado. O calor trocado não é perdido.

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APLICAÇÕESEquipamento Função

RefervedorLigado ao fundo de uma torre de fracionamento, fornece o calor necessário à destilação. O meio de aquecimento empregado pode ser o vapor de água ou um fluido térmico.

RefrigeradorResfria um líquido a uma temperatura mais baixa do que a atingível com o uso exclusivo de água. Usa um refrigerante como amônia ou Freon.

Resfriador Resfria líquidos ou gases mediante água.

Superaquecedor Aquece o vapor de água além da temperatura de saturação.

Vaporizador Aquecedor que vaporiza parte de um líquido.39

APLICAÇÕESIndústria de Alimentos

• É importante o uso de trocadores de calor para a destruição de microorganismos;• Geralmente são usados trocadores de calor tubulares ou a placas.

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APLICAÇÕES

Indústria de petróleo

• São utilizados para a quebra de emulsões entre o petróleo e água, resfriamento de gases advindos de um processo de compressão, condensação e aquecimento de mistura em uma torre de destilação;• Duplo tubo, casco e tubo, tampa flutuante e de tubos em U.

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APLICAÇÕES

Usina Termoelétrica• O vapor que sai da turbina passa pelo trocador de calor antes de retornar a caldeira (trocador de calor opera como condensador).

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O QUE UM ENGENHEIRO PRECISA SABER

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• O engenheiro que vai projetar ou avaliar um trocador de calor deve ter conhecimento sobre algumas variáveis envolvidas no processo:

•A natureza dos fluidos que percorrem o trocador;•As temperaturas dos fluidos na entrada e na saída do trocador;• As pressões de operação;• A velocidade de escoamento;• A sujeira;• Localização dos fluidos.

REFERÊNCIAS

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•  Trocadores de calor. Disponível em: <http://www.ufjf.br/washington_irrazabal/files/2014/05/Aula-23_Trocadores-de-Calor.pdf>. Acesso em: 05 nov. 2016.

• Dimensionamento de equipamentos I. Disponível em: <http://www.mundomecanico.com.br/wp-content/uploads/2014/01/Trocadores-de-calor.pdf>. Acesso em: 05 nov. 2016.

•  Conhecendo os trocadores de calor a placas. Disponível em: <http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm>. Acesso em: 05 nov. 2016.

•  Trocadores de calor. Disponível em: <http://www.evacon.com.br/trocadores_de_calor/produtos_trocadores_de_calor.asp>. Acesso em: 05 nov. 2016.

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FIM