aula2_opii_30jan14

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

Docente: Kátia Nicolau Matsui

Aula 2:

Trocadores de Calor (TC) Balanço de Energia

Diferença de temperatura em um TC

DEQ 0312 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

UFRN/CT/DEQ0312 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

Trocadores de Calor a Placas (TCP)

Foram introduzidos em 1930 na indústria de alimentos (ex: para sucos e produtos lácteos) em

razão da versatilidade e facilidade de limpeza. As placas são feitas por prensagem e apresentam na

superfície corrugações, as quais fornecem maior resistência à placa e causam maior turbulência

aos fluidos em escoamento.

TCPconsiste de um suporte, onde placas

independentes de aço inoxidável, sustentadas

por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa.


TCP: Placas de Aço inoxidável

São corrugadas em diferentes padrões de forma a otimizar a

transferência de calor. Não só o tipo de corrugação, mas o ângulo de

inclinação, o espaçamento e a altura da corrugação são importantes

para o desempenho térmico

Espinha de peixe Tábua de lavar

Gaxeta de material sanitário

elastomérico


TCP: Canais de escoamento

Os fluidos entram e saem dos canais através dos

orifícios localizados nos cantos das placas.

A presença das gaxetas não permite a mistura dos

fluidos e impede vazamentos.

Meio aquecedor: água quente ou vapor sob vácuo

Meio resfriador: água de resfriamento, água gelada,

solução de propileno glicol

gaxeta Orifício fechado Orifício aberto

quente

frio 3 5 6 7 8

http://www.youtube.com/watch?v=L3Fss_Z6kM4

mailto:http://www.youtube.com/watch?v=L3Fss_Z6kM4

http://www.youtube.com/watch?v=L3Fss_Z6kM4


TCP: Configuração

Versatilidade na montagem do arranjo de placas promovendo inúmeras possibilidades de distribuição das

correntes quente e fria pelos canais do TCP. O termo “passe” refere-se a um grupo de canais em que o fluxo está

na mesma direção. A figura mostra alguns exemplos de configurações possíveis em um TCP de 8 canais (9

placas)

(a) Arranjo paralelo em U 1 x 4/ 1 x 4

(b) Arranjo em série 4 x 1/ 4 x 1

(c) Arranjo paralelo em Z 1 x 4/ 1 x 4

(d) Arranjo misto 2 x 2/ 1 x 4


TCP: VANTAGENS

Fácil limpeza: fudamental para produtos alimentícios ou farmacêuticos;

Flexibilidade de alteração da área de troca térmica;

Grande área de troca térmica (até a 2500 m2);

Economia: baixo custo inicial; não é necessário isolamento; facilidade na substituição das placas; ocupa

pouco espaço;

Turbulência: regime turbulento de escoamento com valores de número de Reynolds da ordem de 20 a 400

dependendo do tipo de placa;

Apresenta elevado coeficiente de transferência de calor;

Incrustação reduzida em função da turbulência, ocasionando menos paradas para limpeza. O escoamento

pode ser da ordem de 5000 a 20.000 kg/h de material;

Mesmo que a vedação falhe não ocorre a mistura das correntes;

Oferece a possibilidade de conservação de energia por regeneração.


TCP: DESVANTAGENS

Pressão: deve ser menor que 1,5 MPa;

Temperatura: menor que 150 °C;

Perda de carga: eleva os custos de bombeamento;

Fluidos: o processamento de fluidos de alta viscosidade ou contendo materiais fibrosos não é recomendado;

Trabalha em vácuo moderado e com pequenos volumes de gases e vapores.


Amplamente empregados nas aplicações de engenharia;

Fabricado em diversos tamanhos (1,5 a 7,5 m comprimento);

Extenso domínio de pressões e temperaturas (até 30,5 bar);

Facilidade de fabricação;

Custo relativamente baixo;

Fácil limpeza;

Economicamente viável para áreas de troca de calor de até 30 m2

TROCADORES DE CALOR TUBULARES: tubo duplo

É o TC tubular mais simples, consiste de um tubo localizado

concentricamente dentro de outro. Um dos fluidos escoa no

espaço anular e o outro pela parte interna de um dos tubos.

O escoamento pode ser em paralelo ou em contracorrente

TC de tubo concêntrico ou duplo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Tubular_heat_exchanger.png


TROCADORES DE CALOR TUBULARES

Figura - Trocador de calor tubular tipo U em série

O trocador duplo tubo é composto por 2 tubos concêntricos, geralmente com 2 trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo, para dirigir os fluidos de uma seção reta para outra. O conjunto com forma de U é denominado grampo. Para fornecer uma boa troca de calor os trocadores de calor duplo tubo são compostos por vários grampos conectados em série para promover maior área de troca de calor. Na parte curva não há troca de calor entre os fluidos, no cálculo da área, somente os trechos retos são considerados.

TC de tubo concêntrico ou duplo

Grampo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Tubular_heat_exchanger.png


TROCADORES DE CALOR TUBULARES: Casco e tubo (shell and tube)

Esse tipo de trocador suporta diversas condições operacionais, tais como P (> 30 bar) e T (>260ºC)

altas, atmosfera altamente corrosiva, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes.

Em alimentos é empregado no aquecimento de líquidos em sistemas de evaporação; condensadores;

usado também para alimentos viscosos e particulados.

Uma das correntes escoa dentro do tubo enquanto a outra é bombeada no casco. Formas específicas

diferem de acordo com o número de passes no casco e no tubo.

Pode operar na vertical e horizontal; com líquidos e gases.

Trocador de casco e tubo.

http://www.youtube.com/watch?v=hxhB3k0vh2g

http://www.youtube.com/watch?v=Z20gLElcWm4


TROCADORES DE CALOR TUBULARES: Casco e tubo (shell and tube)

TUBOS: A dimensão dos tubos é indicada pelo diâmetro externo e pela espessura da parede.

Parede grossa = 4,57 mm = 0,18 in

Parede fina = 0,56 mm = 0,022 in

A escolha da espessura da parede dependerá de determinadas condições como: Pressão; Corrosão dos

fluidos; Resistência à vibração devido ao escoamento no casco; Custo.

A espessura mais empregada é de 1,65 mm = 0,065 in.

Trocador de casco e

tubo, com passe simples

(um passe no casco e

um passe nos tubos)

operando em

contracorrente


TROCADORES DE CALOR TUBULARES: casco e tubo

Figura – Parte interna do TC casco e tubo.

Fonte: http://www.quimica.com.br/revista/qd400/trocadores1.htm

Comprimento dos tubos:

Pensando em um trocador com custo viável,

deve-se pensar em um TC de tubos longos e

pequeno diâmetro no casco. Porém deve-se

lembrar que o espaço físico disponível para a

instalação deve ser, no mínimo, o dobro do

tamanho do TC, devido a etapa de limpeza.

Diâmetro dos tubos:

A seleção do diâmetro depende da natureza da incrustação do fluido; do espaço disponível e do custo.

Diâmetros reduzidos e pouco espaçamento entre eles = Trocadores Compactos, porém com dificuldade de limpeza

na parte do casco.

Recomenda-se Diâmetro de 19,05 a 25,4 mm.



Arranjos triangulares fornecem TC mais compactos.

Para mesmo diâmetro do tubo; passo e diâmetro do casco o nº de tubos e diretamente a área de troca de calor

serão maiores no arranjo triangular comparado ao quadrado.

Disposição dos tubos:

A distância de centro a centro entre tubos é denominada arranjo ou passo (PT). A diferença entre o passo e o

diâmetro externo do tubo é a abertura (C’).

Quadrado (90º) Quadrado (45º) Triangular (30º) Triangular (60º)

Os tubos não devem ficar muito próximos para não enfraquecer os espelhos (suporte dos tubos).

Na literatura são apresentadas tabelas que fornecem o nº máximo de tubos que pode ser colocado em

determinado casco (ARAÚJO, 2011).



CHICANAS:

Chicanas são frequentemente

instaladas para aumentar o

coeficiente de convecção do fluido

no casco pela indução da

turbulência. Auxilia também no

suporte dos tubos e evita regiões

mortas.

Podem ser: segmentar; tipo anel;

tipo disco

CASCO:

São padronizados para diâmetros de até 24 in (609,6 mm);

Costumam ter espessura de parede de no mínimo 9,5 mm



Nº de passagens ou passe dos fluidos no TC Casco e Tubo

Está relacionado com o percurso do fluido de uma

extremidade a outra.

(a) 1 passe no casco e 1 passe nos tubos A operação pode ser em contracorrente ou

paralelo.

(b) 1 passe no casco e 2 passes nos tubos; Necessariamente uma das passagens estará em

paralelo, enquanto a outra em contracorrente com o fluido do casco.

(c) 2 passes no casco e 4 passes nos tubos. Em razão da dificuldade de construção, não há

cascos com mais de 2 passagens. Quando são citados trocadores casco e tubo: 3-6; 4-8; 5-10 referem-se a TC 1-2 conectados em série.

(a)

(b)

(c)


TROCADORES DE CALOR TUBULARES: superfície raspada

TCs de superfície raspada são ideais para aquecimento e resfriamento de produtos alimentícios sensíveis, pois

possuem um eixo de lâminas giratório, que remove o produto das áreas da parede de transferência de calor. Esta ação

permite uma rápida transferência de calor para um volume relativamente pequeno de produto e evita à deposição de

material sobre as paredes do fluido formando filmes isolantes, o que aumenta a resistência à transferência de calor.

As áreas em contato com o alimento devem ser fabricadas com materiais como o aço inoxidável, níquel puro, ou seja,

materiais não corrosivos. Ex. de aplicação: líquidos viscosos sopas, polpas, concentrados cítricos, pastas, etc.

Lâminas

raspadoras

Meio de

aquecimento/resfriamento

Produto

eixo

pás

Parede do tubo onde

ocorre a TC

isolante

Tubo aço inoxidável


TROCADORES DE CALOR TUBULARES: industriais

Casco e tubo

Tubular

Superfície raspada


TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Em Princípios dos Processos Químicos (PPQ) e em outras disciplinas passadas vocês viram várias

formas de energia:

térmica, potencial, cinética, mecânica, elétrica ...

A maioria dos TC’s operam em regime estacionário; não há realização de trabalho; Não há acúmulo de energia; energia potencial e cinética são desprezíveis, assim como a troca de calor com o ambiente.

Sendo assim, o balanço de energia em sistema aberto sem reação química:

Passa a ser para cada corrente no trocador de calor

Q quantidade de calor transferido (J)

taxa de transferência de calor (J/s) ou (W)

Correntes de saída e entrada

No TC: o calor cedido pelo fluido quente é absorvido pelo fluido frio

sendo q = quente; f = frio


TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Não havendo MUDANÇA DE FASE em nenhum dos fluidos

Se houver envolvimento de calor LATENTE, por exemplo, se

o fluido quente for vapor saturado, condensando e

saindo do equipamento como líquido saturado

T temperaturas do fluido quente

t temperaturas do fluido frio


T= 1oC

Água

T=3,5oC

Água

T= 10oC

suco

T= 30oC

suco

T= 65oC

suco

T=85oC

Água

T=73oC

Água

T= ?

suco

T= 5°C

suco

Resfriador Recuperador de

calor

Pasteurizador

Na pasteurização de suco de cajá, a recuperação de calor é uma prática comum, economizando energia na

forma de água quente e de água fria. Isso é feito através da incorporação de um trocador de calor entre as

etapas de aquecimento e de resfriamento, conforme esquematizado na figura. Utilizando o balanço de energia

em sistema aberto determine:(a) a temperatura de saída no recuperador de calor;

(b) as vazões mássicas de água (kg/h) nos sistemas resfriador e pasteurizador;

(c) as vazões mássicas de água (kg/h) nos sistemas resfriador e pasteurizador, na ausência do recuperador de

calor.

Dados: Cp água = 4,18 kJ/kg.°C; Cp cajá= 3,52 kJ/kg.°C despreze as variações nas energias potencial e

cinética, não há partes móveis, sistema não troca calor com a vizinhança; alimentação do suco de cajá in

natura igual a 300 kg/h

EXERCÍCIO


Respostas

(a) a temperatura de saída no recuperador de calor

T = 45°C

(b) as vazões mássicas de água (kg/h) nos sistemas resfriador e pasteurizador;

Resfriador = 4042kg/h; Pasteurizador = 736,8 kg/h

(c) as vazões mássicas de água (kg/h) nos sistemas resfriador e pasteurizador, na ausência do recuperador de

calor.

Resfriador = 6063,2 kg/h; Pasteurizador = 1157,9 kg/h

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