Sumário

1. Introdução1

2. Características dos Fluidos 2

3. Perda de Carga Admissível 3

4. Tipos de trocadores 4

4.1. Classificação quanto a Aplicação 4

4.2. Classificação de acordo com o processo de transferência de calor 6

4.2.1. Classificação de acordo com o processo de transferência de calor 6

4.2.2. Trocadores de calor de contato direto 7

4.3. Classificação de acordo com a construção 8

4.3.1. Tubular 8

4.3.2. Serpentina 11

4.3.3. Tubo Capilar 12

4.3.4. Trocador de calor a placa 13

4.3.5. Placa Espiral 17

5. Conclusão 18

6. Referências 19

1. Introdução

Os trocadores de calor são equipamentos que transferem energia térmica de um

sistema para a vizinhança ou entre partes de um sistema, por isso são muito importantes para

nosso cotidiano. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos

campos da indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, ou em

aquecimento e condicionamento de ar. Existem também aplicações domésticas bastantes

comuns como em geladeiras e ar condicionados.

A pesquisa e desenvolvimento dos Trocadores têm uma longa história e devido às

diversas aplicações se buscou aperfeiçoar ainda mais o projeto e o desempenho de trocadores

baseados na preocupação pela conservação de energia.

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2. Características dos Fluidos

A natureza dos fluidos que circulam em um trocador de calor é um item fundamental

para o seu estudo.

As propriedades físicas de maior interesse na troca térmica são: a condutibilidade

térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico. Elas influenciam decisivamente no

desempenho de um trocador de calor. Os valores dessas propriedades variam em função da

temperatura que, por sua vez, se altera ao longo de um trocador de calor. Na maioria das

vezes, são adotados os valores das propriedades à temperatura média entre a entrada e a saída.

É preciso também levar em conta características como a corrosividade, a toxidez, a

periculosidade, a inflamabilidade. Para esses casos, a garantia de que não exista vazamento do

fluido deve ser maior. Os cuidados para a detecção de um eventual vazamento devem ser

redobrados.

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3. Perda de Carga Admissível

A queda de pressão entre a entrada e a saída é conhecida como a perda de carga em

um trocador de calor. Para cada fluido num dado processo, é estipulado um valor de perda de

carga máximo ou perda de carga admissível.

Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional de energia elevado,

devendo, portanto ser evitada. Além disso, não se deve esquecer que o trocador de calor é

sempre um equipamento componente de uma unidade de processo. O fluido que sai dele, em

muitas vezes, vai ainda passar por tubulações e outros equipamentos, com suas respectivas

perdas de carga, portanto na saída do trocador de calor, o fluido ainda precisa ter uma pressão

suficiente para vencer as perdas subsequentes.

Um aspecto muito importante é que um trocador de calor em geral, deve-se trabalhar

com um valor de perda de carga o mais próximo possível do admissível. Por exemplo, não é

interessante operar um trocador de calor com perda de carga de 3 psi, se a admissível é de 10

psi. Isso se deve pelo fato de que quanto maior a intensidade de turbulência, melhor o

desempenho de troca térmica. Então, para um trocador de calor, deve-se usufruir de toda a

dissipação de energia por atrito prevista, sem ultrapassar o valor admissível.

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4. Tipos de Trocadores

Uma classificação bem geral dos trocadores de calor poderia ser realizada de acordo

com os itens abaixo:

Aplicação.

Processo de transferência de calor;

Construção;

Arranjo do escoamento;

Mecanismos de transferência de calor;

Número de fases ou fluidos;

Nesta seção falaremos sobre algumas dessas classificações e os trocadores que a

compõe.

4.1 - Classificação quanto à aplicação

Os trocadores de calor podem ser classificados devido às modificações que eles

realizam nas condições de temperatura ou estados físicos do fluido de processo. No caso de o

equipamento operar com dois fluidos de processo, prevalece se possível, a designação

correspondente ao serviço mais importante. Seguindo este critério, os trocadores de calor

podem ser classificados como:

Resfriador (cooler) – resfria um líquido ou gás por meio de água, ar ou salmoura;

Refrigerador (chiller) – resfria também um fluido de processo através da evaporação

de um fluido refrigerante, como amônia, propano ou hidrocarbonetos clorofluorados;

Condensador (condenser) – retira calor de um vapor até a sua condensação parcial ou

total, podendo inclusive sub-resfriar um líquido condensado. O termo “condensador de

superfície, aplica-se ao condensador de vapor exausto de turbinas e máquinas de ciclos

térmicos;

Aquecedor (heater) – aquece o fluido de processo, utilizando, em geral, vapor d’água

ou fluido térmico;

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Vaporizador (vaporizer) – cede calor ao fluido de processo, vaporizando-o total ou

parcialmente através de circulação natural ou forçada. O termo “refervedor” (reboiler) aplica-

se ao vaporizador que opera conectado a uma torre de processo, vaporizando o fluido

processado. O termo “gerador de vapor” (steam generator) aplicasse ao vaporizador que gera

vapor d’água, aproveitando calor excedente de um fluido de processo;

Evaporador (evaporator) – promove concentração de uma solução pela evaporação do

líquido, de menor ponto de ebulição.

E algumas de suas respectivas aplicações atualmente são:

- Os resfriadores são usados para resfriar o plástico quente na indústria do plástico, eles

resfriam o plástico que é injetado por extrusão ou estampado. Eles também são usados para

resfriar o equipamento utilizado no processo de fabricação, na indústria de impressão, são

aproveitados para remover o calor gerado pelos rolos de impressão. Eles também ajudam a

resfriar o papel quando ele sai dos fornos de secagem de tinta. E atualmente os mais

sofisticados são usados na eletrônica de alta potência dentro das máquinas, como ressonância

magnética e PET.

- Os refrigeradores mais conhecidos como Chillers podem ser usados para resfriamento de

eletro erosão a fio, rotativas gráficas, reatores químicos, gravação e corte a laser, banhos de

galvanoplastia, moldes de termofarmadoras, moldes de injetoras de plástico, laminadoras de

filmes plásticos, moldes de sopradoras de plástico, diversos processos na indústria

alimentícia, sistemas de envase de água mineral e refrigerante, extrusores de filme, chapas,

perfis e tubos plásticos, nos sistemas de óleo de corte de máquinas de usinagem, anel de ar e

IBC de extrusoras tubulares de filme plástico.

- Os condensadores possuem dois tipos principais:

Por condensação estática (processo de convecção natural) que é aplicada

principalmente em refrigeradores, frigobares, freezers e outras aplicações domésticas.

E por condensação forçada (processo de convecção forçada) o qual utiliza micro

ventilador, cuja principal vantagem está no aumento da capacidade de trocar calor pela

movimentação do ar forçado pelo ventilador sobre o condensador. Esse processo é aplicado

geralmente em sistemas comerciais leves, que exigem maior capacidade de refrigeração,

como expositores para bebidas, ilhas de refrigerados ou congelados, máquinas de gelo, etc.

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- Os aquecedores podem ser utilizados para diversas aplicações, como aquecedores solares,

- O uso dos geradores de vapor está limitado a pequenos aparelhos para a indústria (criação de

atmosferas neutras, lavandarias de grande dimensão, limpeza e esterilização)

- Os Evaporadores são aplicados na concentração de produtos, pré-concentração para efeitos

de alimentação de secadores, redução de volume, separação de água/solventes, pré-

cristalização. Concentração de sucos de frutas, do caldo de cana para posterior obtenção do

açúcar, e na produção do álcool é utilizado também para retirada da água dos alimentos mais

variados como fabricação de leite condensado, leite, sucos de frutas concentrados, extrato de

tomate, catchup, doces em massa, obtenção de água potável a partir da água do mar.

4.2 - Classificação de acordo com o processo de transferência de calor

Em relação ao processo de transferência existem dois tipos, o de contato indireto e de

contato direto.

4.2.1 - Trocadores de calor de contato indireto

Em um trocador de calor de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o

calor é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a transferência

de calor. Os trocadores de contato indireto classificam-se em: trocadores de transferência

direta e de armazenamento.

a) Tipo de Trocadores de Transferência Direta

Neste tipo, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma

parede que os separa. Não há mistura entre eles, cada corrente permanece em passagens

separadas.

Este trocador é chamado de trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como

recuperador. Alguns exemplos de trocadores de transferência direta são trocadores de: placa,

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tubular, e de superfície estendida. Recuperadores constituem uma vasta maioria de todos os

trocadores de calor.

b) Trocadores de armazenamento

Em um trocador de armazenamento, ambos os fluidos percorrem alternativamente as

mesmas passagens de troca de calor. A superfície de transferência de calor geralmente é de

uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a

superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz.

Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas passagens, a matriz libera a energia

térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado regenerador.

4.2.2 - Trocadores de calor de contato direto

Neste trocador, os dois fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador de

contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor; aplicações que

envolvem só transferência de calor são raras. Comparado a recuperadores de contato indireto

e regeneradores, são alcançadas taxas de transferência de calor muito altas. Sua construção é

relativamente barata. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato direto de dois

fluxos fluidos é permissível.

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4.3 - Classificação de acordo com a construção

4.3.1 - Tubular

a) Casca e tubo

São trocadores amplamente utilizados em processos industriais (aquecimento,

resfriamento, evaporação ou vaporização e condensação de todas as espécies de fluidos),

quando se necessita de grandes áreas para transmissão de calor.

Consiste de tubos paralelos, por onde circula um dos fluidos, montados num casco

cilíndrico, no qual circula o outro fluido.

Tem vantagens em termos de fabricação, custos e desempenho térmico. Podem ser

construídos com grandes superfícies de troca de calor em um volume relativamente pequeno,

apresentando grande flexibilidade nas condições de projeto e operação (ampla faixa de

temperatura e pressão).

Os Trocadores de Calor Casco e Tubo são projetados para as mais variadas aplicações

em indústrias químicas, petroquímicas, alimentícia, geração de energia, etc.

Chicanas

Para evitar que haja flexão dos tubos e também para prover um maior tempo de

residência do fluído do casco e uma maior turbulência, coloca-se no feixe, de espaço em

espaço placas de metal chamadas chicanas, elas podem ser de três tipos:

Chicanas de orifícios anulares;

Chicanas do tipo disco e anel;

Chicanas segmentadas;

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b) Tubo duplo

É constituído por dois tubos concêntricos conectados nas extremidades com a

finalidade de suportar o tubo interno mantendo-o centralizado, promover a entrada, a saída ou

o retorno do fluido de uma perna a outra. Duas pernas de duplo tubo formam um grampo em

U (curva de retorno) geralmente exposto, o qual não fornece uma superfície de T.C. efetiva.

Normalmente são montados em comprimentos de até 6m e não devem ser maiores

porque o tubo interior pode se curvar e tocar no tubo exterior causando má distribuição no

fluxo de fluido no anel.

Na indústria de tratamento de águas residuais, trocadores de calor desempenham um

papel vital na manutenção ótima de temperaturas internamente a digestores anaeróbicos a fim

de promover o crescimento de microorganismos que removem os poluentes das águas

residuais. Os tipos mais comuns de trocadores de calor utilizados nesta aplicação são os

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trocadores de calor de duplo tubo. É geralmente usado em aplicações de pequenas

capacidades.

Desvantagens:

- pequena quantidade da superfície de T.C. contida num único grampo, sendo

necessário o uso de vários deles para processos industriais, ocupando um espaço considerável

- elevado número de conexões, dificultando e encarecendo a desmontagem e

limpeza do equipamento.

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4.3.2 - Serpentina

Este tipo de trocador de calor é muito específico na indústria, e apresenta uma série de

configurações, dependendo do tipo de aplicação e do tipo do equipamento. De uma maneira

geral, a configuração é helicoidal ou espiral, muito utilizado em torres de absorção, vasos

circulares com agitadores mecânicos, tanques de armazenagem de óleo combustível, tanques

de soluções salinas para evitar cristalização, em tanques de fusão (enxofre, por exemplo), etc.

As Serpentinas são normalmente utilizadas em condicionadores de ar dos mais

variados tipos, podendo ser usadas em sistemas de refrigeração, dutos de ar e em

equipamentos industriais ou de processo, sendo mais comum nas seguintes aplicações:

resfriamento do ar por água gelada, aquecimento do ar por água quente ou vapor, expansão

direta do gás refrigerante halogenado, como condensadoras ou evaporadoras, resfriamento de

óleo, Fan-Coil.

Os Aquecedores e Resfriadores de Ar, construídos com tubos aletados de seção

elíptica, são recomendados para operações da alta capacidade de transmissão de calor e alta

pressão.

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4.3.3 - Tubo capilar

Os tubos capilares normalmente são aplicados em sistemas de refrigeração de pequeno

porte, como: condicionadores de ar residenciais, freezers, bebedouros de água, etc.

O capilar possui duas finalidades: reduzir a pressão do refrigerante líquido e regular à

vazão da mistura líquido/gás que entrará no evaporador, seguindo o princípio de que uma

massa de refrigerante no estado líquido passará mais facilmente através de um capilar que a

mesma massa de refrigerante no estado gasoso.

Assim, se o vapor o refrigerante não condensado entra no capilar, o fluxo de massa

será reduzido, permitindo que o refrigerante fique mais tempo no condensador.

A principal vantagem em sua utilização constitui-se no fato de que, mesmo com a

parada do compressor, o refrigerante continua fluindo através do capilar até a equalização das

pressões do lado de alta e de baixa, permitindo a utilização de motor com torque normal de

partida.

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4.3.4 - Trocador de calor a placa

O termo “trocador de calor a placas” e a sigla PHE (plate heat exchanger) são

normalmente usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas: o “trocador de

calor a placas com gaxetas”. Entretanto, existem ainda outros tipos menos comuns de

trocadores a placas, como o espiral ou o de lamela. Em todos eles, os fluidos escoam por

estreitos canais e trocam calor através de finas chapas metálicas.

Os PHEs são formados basicamente por um pacote de finas placas metálicas prensadas

em um pedestal. O pedestal possui uma placa fixa, uma placa de aperto móvel, barramentos

inferior e superior e parafusos de aperto. A placa fixa e de aperto possuem bocais para

conexão das tubulações de alimentação e de coleta dos fluidos.

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Principais Vantagens dos PHEs

- Limpeza: como o PHE é desmontável, é possível limpar e inspecionar todas as partes

em contato com os fluidos. No processamento de produtos alimentícios ou farmacêuticos esta

característica é fundamental.

- Flexibilidade: os PHEs são muito flexíveis; adicionando ou removendo placas eles

podem ser redimensionados para novas condições de processo.

- Economia: como os PHEs são compactos, podem ser usados materiais mais nobres

na fabricação das placas, o que seria inviável em trocadores mais robustos como o casco-e-

tubos. O espaço para instalação é também bastante reduzido para os PHEs. Um mesmo

pedestal pode até acomodar mais de uma seção de troca térmica utilizando placas especiais

chamadas “grades conectoras”, essenciais nos processos de pasteurização onde o fluido de

processo é aquecido e depois resfriado no mesmo trocador.

- Rendimento Térmico: os PHEs são trocadores de alta eficiência térmica, sendo

possível obter diferenças de temperatura de até 1 oC entre os fluidos.

- Turbulência: as placas corrugadas aumentam a turbulência do escoamento dentro dos

canais. Desta forma, é possível obter o regime turbulento de escoamento. A turbulência

também reduz a formação de incrustações pois mantém os sólidos em suspensão. Os fatores

de incrustação (fouling factors) para os PHEs são aproximadamente dez vezes menores

daqueles adotados para os trocadores casco-e-tubos.

- Vazamentos nas gaxetas: as gaxetas possuem respiros que impedem que os fluidos se

misturem no caso de alguma falha, o que também facilita a localização de vazamentos.

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Principais Desvantagens dos PHEs

-  Pressão: pressões superiores a 1,5 MPa não são toleradas, pois ocasionam

vazamentos nas gaxetas. Existe a possibilidade de soldar as placas umas às outras para operar

sob altas pressões, como nos trocadores a placas brazados, mas o PHE perde a sua

flexibilidade e não pode mais ser limpo internamente.

- Temperatura: para que o PHE possa trabalhar acima de 150 oC é necessário o uso de

gaxetas especiais, pois as de material elastomérico não suportam tal condição.

- Perda de Carga: devido às placas corrugadas e ao pequeno espaço de escoamento

entre elas, a perda de carga por atrito é alta, o que eleva os custos de bombeamento. Para

diminuir a perda de carga pode-se aumentar o número de passagens por passe para que o

fluxo seja dividido em um número maior de canais. Desta forma a velocidade de escoamento

dentro dos canais será menor, reduzindo o fator de atrito.

- Mudança de Fase: em casos especiais os PHEs podem ser usados em operações de

condensação ou de evaporação, mas eles não são recomendados para gases e vapores devido

ao espaço reduzido dentro dos canais e às limitações de pressão.

- Fluidos: o processamento de fluidos de alta viscosidade ou contendo materiais

fibrosos não é recomendado por causa da alta perda de carga e de problemas de distribuições

de fluxo dentro do PHE. Deve-se verificar ainda a compatibilidade entre os fluidos e o

material de fabricação das gaxetas.

- Vazamentos nas placas: a fricção entre placas pode desgastar o metal e formar

pequenos furos de difícil localização. Como precaução, é aconselhável pressurizar o fluido de

processo para que, no caso de vazamento na placa, o fluido de utilidade não o contamine.

- Dimensionamento: os métodos rigorosos de dimensionamento dos PHEs ainda são

propriedade dos fabricantes e são específicos aos modelos comercializados. Em contrapartida,

métodos genéricos de dimensionamento para trocadores casco-e-tubos ou duplo-tubo

encontram-se disponíveis na literatura aberta.

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Aplicações

De forma geral, os PHEs são utilizados em operações de resfriamento, aquecimento ou

de recuperação de calor entre líquidos com temperaturas inferiores a 150 oC e pressões não

maiores que 1,5 MPa. Eles são extensivamente usados no processamento de produtos

alimentícios como laticínios, sucos e cervejas e também na indústria farmacêutica para

esterilização de meios de cultura. A facilidade de limpeza interna e de controle da temperatura

dos PHEs são fundamentais para estes processos industriais.

Uma das aplicações mais importantes dos PHEs é na pasteurização do leite. Neste

processo o PHE é dividido em três seções de troca térmica, uma para aquecimento do leite cru

até a temperatura de pasteurização, outra para resfriamento do leite pasteurizado até a

temperatura de embalagem e uma seção para recuperação de calor. Nesta última seção,

designada “regeneração”, o leite cru é pré-aquecido usando o leite quente pasteurizado e a

recuperação de calor pode ser superior a 90 %. O processo de pasteurização é esquematizado

e pode-se observar as três seções de troca térmica ocupando o mesmo pedestal do PHE. As

grades conectoras são usadas para separar as seções.

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4.3.5 - Placa espiral

Trocadores espirais são frequentemente a única opção no caso de incrustações, fluidos

viscosos e/ou carregados de partículas, como lama ou suspensões. Por conta da passagem de

um único fluxo, a limpeza química é extremamente eficaz.

Com sua construção totalmente soldada, trocadores espirais são usados muitas vezes

com fluidos perigosos e/ou agressivos no processamento de produtos químicos orgânicos e

inorgânicos. Além dos aplicativos de lama em geral em águas residuais municipais, de papel e

de celulose, outras funções significativas envolvem serviço de líquido/líquido e gás ou

vapor/líquido.

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5. Referências

http://collatio.tripod.com/regeq/condies.htm

http://fsma.nucleoead.net/moodle/pluginfile.php/17131/mod_resource/content/0/

TrocadoresdeCalor.pdf

http://www.ufjf.br/washington_irrazabal/files/2014/05/Aula-23_Trocadores-de-Calor.pdf

http://professor.unisinos.br/jcopetti/sisterm

http://www.essel.com.br/cursos/material/03/CAP4.pdf

http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/b/bb/RAC_II.pdf

http://adm.online.unip.br/img_ead_dp/38460.PDF

http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm

http://www.tranter.com/

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