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TROCADORES DE CALOR: INTRODUÇÃO
Capítulo 4
08/2010
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Capítulo 4
4.1. Conceito
4.2. Classificação
4.3. Seleção
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4.1. Conceito
Trocadores de calor são equipamentos destinados a promover a transferência de calor entre correntes, sendo responsáveis pela alteração de temperatura e/ou estado físico de correntes materiais.
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4.1. Conceito
Observação:
Trocadores de calor = Heat Exchangers
Observação:
Trocadores de calor são também chamados de permutadores ou intercambiadores de calor
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4.1. Conceito
De uma forma mais geral, a transferência de energia nos trocadores de calor pode ocorrer envolvendo:
- Fluidos
- Sólido / Fluido
- Sistema particulado / Fluido
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4.1. Conceito
Observação:
Há trocadores de calor onde há a liberação de energia térmica em seu interior.
Exemplos:
- Aquecedores elétricos
- Caldeiras
- Fornos
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4.2. Classificação
Em função da diversidade de serviços que executam, os trocadores de calor são construídos em uma grande variedade de alternativas.
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4.2. Classificação
Neste sentido, torna-se interessante introduzir alguns critérios de classificação:
1 - Utilização
2 - Processo de transferência
3 - Número de correntes
4 - Compactação da superfície
5 - Construção
6 - Configuração do escoamento
7 - Mecanismos de transferência de calor
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4.2.1. Classificação: Utilização
Trocador de calor
Aquecedor
Resfriador
Condensador
Vaporizador
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4.2.1. Classificação: Utilização
Trocador de calor: Em certas situações este termo é limitado aos equipamentos destinados àtransferência de calor entre correntes de processo.
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4.2.1. Classificação: Utilização
Resfriador: Promove o resfriamento de uma corrente de processo através de uma utilidade (e.g. água de resfriamento, se a utilidade possui temperatura inferior aquela alcançada via água de resfriamento ou ar, utiliza-se o termo chiller).
Aquecedor: Promove o aquecimento de uma corrente de processo através de uma utilidade (e.g. vapor saturado).
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4.2.1. Classificação: Utilização
Condensador: Equipamento destinado a promover a mudança de fase (total ou parcial) de uma corrente de vapor para líquido.
Vaporizador: Equipamento destinado a promover a mudança de fase (total ou parcial) de uma corrente de líquido para vapor (aplicado a uma coluna de destilação: refervedor).
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4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Contato indireto
Contato direto
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4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Contato indireto: A transferência de calor ocorre sem que as correntes entre em contato físico. Exemplos: Trocadores tubulares, trocadores de placas, etc.
Contato direto: A transferência de calor ocorre com contato físico entre as correntes. Exemplos: Torres de resfriamento, trocadores de calor tipo “quench” (DCC), etc.
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4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Trocadores de calor de contato indireto:
���� Recuperadores: As correntes materiais são separadas por uma barreira física.
���� Regeneradores: A transferência de calor ocorre através da passagem alternada de cada corrente sobre uma matriz sólida.
���� Trocadores com leito fluidizado: A transferência de calor ocorre por intermédio de uma massa de material particulado fluidizada.
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4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Recuperadores:
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4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Recuperadores:
Fonte:
www.sysmodeling.com/dsm/images/shell_tube_hx.JPG
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Observações:
- Os recuperadores representam a maioria dos trocadores de calor existentes.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Recuperadores:
19
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Regeneradores:
Regenerador com matriz fixa
20
Fonte:www.tutorvista.com/.../hearth-process.php
���� Regeneradores:
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Fonte:
21
���� Regeneradores:
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Regenerador rotativo
22
���� Regeneradores:
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Fonte:
www.wilsonturbopower.com
23
Observações:
- Os regeneradores possibilitam uma construção mais compacta que os recuperadores.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Regeneradores:
24
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Trocadores de calor com leito fluidizado:
Leito fluidizado
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4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Trocadores de calor com leito fluidizado:
Fonte:
http://www.fbhx-usa.com/fbhx.html
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Observações:
Nos trocadores de calor de leito fluidizado, devido à presença dos sólidos particulados, épossível alcançar valores mais elevados para os coeficientes de transferência. Este tipo de sistema émuito utilizado em serviços envolvendo reações químicas.
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
���� Trocadores de calor com leito fluidizado:
27
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Trocadores de calor de contato direto:
���� Líquidos imiscíveis
(e.g. condensação de orgânicos)
���� Gás – Líquido
(e.g. torres de resfriamento)
���� Vapor – Líquido
(e.g. dessuperaquecedores)
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Fonte:
www.turbosquid.com
Trocadores de calor de contato direto:
4.2.2. Classificação: Processo de transferência
Torrede
Resfriamento
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4.2.3. Classificação: Número de correntes
Duas correntes
(maioria das aplicações)
Mais de duas correntes
(e.g. fracionamento criogênico do ar)
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4.2.4. Classificação: Compactação
Compactos
(Gas: > 700 m2/m3, Liq: > 400 m2/m3)
(e.g. radiador de um automóvel)
Não compactos
(e.g. trocadores de calor casco-e-tubos)
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Observações:
Os trocadores compactos apresentam as seguintes vantagens:
- Redução do espaço físico (2-D e 3-D)
- Redução de peso (material, fundações)
- Apresentam maiores valores de U
Entretanto, estes trocadores não podem ser utilizados em serviços onde ocorre deposição e apresentam certas restrições mecânicas (P e T).
4.2.4. Classificação: Compactação
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4.2.5. Classificação: Construção
Tubular
Placas
Superfície estendida
Regeneradores
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Trocadores tubulares:
Neste tipo de trocador, a superfície de transferência de calor possui forma tubular.
���� Trocadores bitubulares
���� Trocadores casco-e-tubo
���� Trocadores com tubos em espiral
4.2.5. Classificação: Construção
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���� Trocadores bitubulares (double pipe):
Entrada de fluido
Região anular
Saída de fluido
Região anular
Entrada de fluido
Tubo interno
Saída de fluido
Tubo interno
4.2.5. Classificação: Construção
35
Fonte:
www.specialized-mechanical.com/products/alco_...
���� Trocadores bitubulares (double pipe):
4.2.5. Classificação: Construção
36
Fonte:
http://www.graham-hart.com/heatexchangers2.html
���� Trocadores bitubulares (double pipe):
4.2.5. Classificação: Construção
37
���� Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube):
Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
4.2.5. Classificação: Construção
38
���� Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube):
4.2.5. Classificação: Construção
39
���� Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube):
4.2.5. Classificação: Construção
Fonte:
www.plate-heat-exchangers.com/.../gate/shell.jpg
40
���� Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube):
4.2.5. Classificação: Construção
Fonte:
http://www.patelairtemp.com/images/Shell%20and%20Tube%20Heat%2
0Exchanger_product.jpg
41
Trocadores de placas:
Neste tipo de trocador, a superfície de transferência de calor é formada por placas paralelas.
���� Trocadores de quadro e placas
���� Trocadores de placas soldadas
���� Trocadores de placas em espiral
���� Trocadores lamelares
���� etc.
4.2.5. Classificação: Construção
42
���� Trocadores de quadro e placas (plate-and frame ou gasketed-and-plate):
Fonte: www.apiheattransfer.com/.../GasketedPHE.htm
4.2.5. Classificação: Construção
43Fonte: www.apiheattransfer.com/.../GasketedPHE.htm
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de quadro e placas (plate-and frame ou gasketed-and-plate):
44
���� Trocadores de placas em espiral:
Fonte:
www.mahans.com/misc.htm
4.2.5. Classificação: Construção
45
Trocadores com superfície estendida:
Neste tipo de trocador, a superfície de transferência de calor é aumentada através da presença de aletas.
���� Trocadores com placas aletadas
���� Trocadores com tubos aletados
4.2.5. Classificação: Construção
46
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de placas aletadas:
Fonte:
www.hydro.com/.../36688/Main%20radiator-455.jpg
47
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de placas aletadas:
Fonte:
www.hydro.com/.../36688/Main%20radiator-455.jpg
48
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de placas aletadas:
Fonte:
http://www.xchanger.com/products_aa.htm
Air cooler
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4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
Fonte:
http://www.fintube.com/images/solder1.gif
http://www.profins.com/images/kl_fin.gif
50
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
Fonte:
http://www.daeryungco.com/product_fintube_al.htm
51
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
Fonte:
http://www.jfdcoil.com/p-repairs.html
52
4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
Fonte:
www.kavehmobadel.com/aircooler_en.html
Aircooler
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4.2.5. Classificação: Construção
���� Trocadores de tubos aletados:
Fonte:
http://www.profins.com/images/kl_fin.gif
54
Regeneradores:
Neste tipo de trocador, a transferência de calor entre as duas correntes se dá através de uma matriz sólida que entra em contato com uma corrente de cada vez de forma periódica.
4.2.5. Classificação: Construção
55
Regeneradores:
4.2.5. Classificação: Construção
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4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
Contracorrente
Cocorrente
Cruzado
Múltiplos passes
Outros
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Escoamento contracorrente:
As correntes escoam em sentido contrário ao longo do equipamento.
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
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Escoamento paralelo ou cocorrente:
As correntes escoam no mesmo sentido ao longo do equipamento.
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
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Escoamento cruzado:
As correntes escoam em direções perpendiculares ao longo do equipamento.
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
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Escoamento com múltiplos passes:
Uma das correntes, pelo menos, apresenta mais de um passe ao longo do escoamento
4.2.6. Classificação:Configuração do escoamento
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4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
Trocadores sem mudança de fase
Trocadores com mudança de fase
Trocadores com convecção e radiação
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Trocadores sem mudança de fase:
- Gás-Gás
- Gás-Líquido
- Líquido-Líquido
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
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Trocadores com mudança de fase:
- Condensação de um vapor através de um líquido, gás ou fluido em vaporização
- Vaporização de um líquido através de um líquido, gás ou fluido em condensação
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
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Trocadores com convecção e radiação:
- Fornos, caldeiras, etc.
4.2.7. Classificação:Mecanismo de transferência
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4.3. Seleção
A partir das características do serviço térmico a ser executado (carga térmica, vazão, temperatura, pressão e composição das correntes) pode-se selecionar o tipo de trocador mais adequado.
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4.3. Seleção
Apesar do custo ser um aspecto importante na seleção, deve-se levar em conta com cuidado questões associadas à confiabilidade e manutenção do equipamento.
Um aspecto importante que deve ser considerado na seleção é a análise da experiência operacional em relação a serviços semelhantes.
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4.3. Seleção
Visão geral:
Trocadores casco-e-tubo:
É o tipo de trocador mais utilizado na indústria de processos químicos devido à sua versatilidade, robustez e confiabilidade.
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4.3. Seleção
Visão geral:
Trocadores bitubulares:
Adequados para serviços de menor magnitude (até 50 m2 a 100 m2).
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4.3. Seleção
Visão geral:
Trocadores de placas:
Em geral, são uma alternativa mais barata aos trocadores casco-e-tubo, entretanto possuem maiores restrições em relação à T e P de projeto, devido às limitações das gaxetas. Usualmente, não são utilizados para correntes gasosas.
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4.3. Seleção
Visão geral:
Resfriadores a ar (air coolers):
Podem ser utilizados em substituição a um resfriador casco-e-tubos, eliminando a necessidade de água de resfriamento.
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