UNIOESTE – UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ

CECE – CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

TROCADORES DE CALOR

Trocador de placa e placa aletada

Docente: Drª Mônica Lady Fiorese

Acadêmicos: Aline R. de Pauli

Alison C. Braga

Araceli Scalcon

Estela S. França

Grasielli O. Graebin

Hélida M. Fagnani

Maryana S. Gongoleski

Sara K. Stofela

TOLEDO- 2009

1

Sumário

1. INTRODUÇÃO................................................................................................3

2. TROCADOR DE PLACA E PLACA ALETADA................................................4

3. USO DA MÉDIA LOGARÍTMICA DAS DIFERENÇAS DE TEMPERATURA. .9

3.1 O trocador de calor com escoamento em paralelo..................................10

4. TEMPERATURA MÉDIA LOGARÍTMICA CORRIGIDA................................14

5. ANÁLISE DE TROCADORES DE CALOR: O MÉTODO DA EFETIVIDADE –

NUT...................................................................................................................15

5.1 Definições................................................................................................15

5.2 Relações Efetividade – NUT....................................................................17

6. METODOLOGIA PARA O CÁLCULO DE TROCADORES DE CALOR........19

7. VANTAGENS E DESVANTAGENS..............................................................21

7.1 Principais Vantagens dos trocadores de calor de placa e placa aletada.21

7.2 Principais Desvantagens dos trocadores de calor de placa e placa

aletada...........................................................................................................22

8. APLICAÇÕES...............................................................................................24

9.BIBLIOGRAFIA..............................................................................................27

2

1. INTRODUÇÃO

Um trocador de calor é um equipamento que tem por finalidade

promover a troca de calor entre dois fluidos. Dependendo de sua miscibilidade,

o trocador deve ou não apresentar paredes sólidas que os mantenham

separados um do outro. No caso de fluidos imiscíveis entre si, estas paredes,

denominadas superfícies de troca de calor, se tornam desnecessárias e o

trocados é chamado trocador por contato direto.

Entre os inúmeros tipos conhecidos de trocadores de calor pode-se citar

o trocador de placas, constituídos de placas delgadas, indicados a pressões e

diferenças de temperaturas moderadas. Há também os trocadores de calor

com placas aletadas, onde o escoamento dos fluidos são delimitados por duas

placas separadas por aletas.

Segundo Ozisik, o projeto de trocadores de calor não envolve somente a

determinação da taxa de transferência de calor nas superfícies de

transferência. Sendo assim, para que se possa prever o desempenho de um

trocador é essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a

grandezas como as temperaturas de entrada e saída dos fluidos, coeficiente

global de transferência de calor, e a área superficial total disponível para a

transferência de calor. Para que isso se torne possível, são realizados balanços

globais de energia nos fluidos levando-se em conta a diferença de temperatura

entre os fluidos. Deve-se considerar também a geometria de cada trocador de

calor, para que os cálculos sejam realmente eficazes.

Devido a sua alta versatilidade, o trocador de calor com placas aletadas

possui inúmeras aplicações. Para a escolha correta de um trocador, deve se

analisar suas vantagens e desvantagens para que se decida qual será a opção

mais viável de acordo com as necessidades do processo.

3

2. TROCADOR DE PLACA E PLACA ALETADA

Um trocador de calor é um equipamento dedicado a promover a

transferência de calor entre duas ou mais substâncias que apresentam

temperaturas diferentes. Na maioria dos casos a transferência de calor ocorre

entre dois fluidos. Normalmente, para evitar que ocorra a mistura desses

fluidos, os dois escoamentos devem ser separados por paredes sólidas que,

usualmente, são denominadas de superfície de transferência de calor ou

superfícies de troca de calor. Estas superfícies sólidas não são necessárias em

alguns trocadores de calor porque a imiscibilidade total dos dois fluidos ou a

estratificação dos dois escoamentos no campo gravitacional garante a

estanqueidade dos escoamentos. Nestes casos, a transferência de calor entre

as interfaces do calor seria mútua e o equipamento é denominado trocador de

calor por contato direto. (OZISIK, M.N.; 1985)

Segundo Ozisik, o projeto de trocadores de calor não envolve somente a

determinação da taxa de transferência de calor nas superfícies de

transferência, mas também o cálculo da potência necessária para promover os

dois escoamentos, a escolha do arranjo geométrico dos escoamentos, o modo

de construir o equipamento (de modo que seja possível desmontá-lo facilmente

para a realização de limpezas periódicas). É interessante ressaltar que, nos

últimos 100 anos, a análise, projeto e fabricação dos trocadores de calor se

tornou uma disciplina própria da engenharia térmica.

Um aspecto que torna desafiador o estudo dos trocadores de calor é a

sua diversidade. Existem muitos tipos de trocadores de calor e existe mais de

um modo de classificar estes tipos. Um modo de distinguir entre os vários tipos,

segundo a classificação de Shah, é analisando o arranjo dos escoamentos. As

Figuras 1 e 2, apresentam três configurações principais que são conhecidas

como: correntes paralelas, correntes opostas (contrárias) e correntes cruzadas.

Nos casos onde as correntes são paralelas, as duas seções de entrada estão

posicionadas no mesmo lado do trocador de calor (a diferença entre as

temperaturas dos fluidos é máxima neste local). No arranjo com correntes

contrárias, as diferenças locais entre as temperaturas dos escoamentos estão

mais bem distribuídas ao longo do trocador de calor.

4

Figura 1. Trocador de calor duplo tubo com correntes paralelas e com correntes opostas.

FONTE: BEJAN, 1996

Figura 2. Trocador de calor com correntes cruzadas e a utilização de partições para evitar a mistura transversal nos escoamentos.FONTE: BEJAN, 1996

Os dois arranjos com correntes cruzadas da Figura 2 mostram que é

possível alterar o grau de mistura que pode existir em cada escoamento dentro

do canal. O efeito da mistura lateral pode ser inibido instalando-se partições

longitudinais que dividem o escoamento em vários escoamentos paralelos “não

misturados”. Se as partições longitudinais não estão presentes, o escoamento

pode misturar transversalmente em cada seção transversal do canal. As

características do canal (largura, comprimento), a presença de turbulência e o

grau com que o efeito da mistura pode propagar ao longo do escoamento

determinam se o escoamento pode ser considerado totalmente misturado.

(OZISIK, M.N.; 1985)

Os escoamentos nos trocadores mostrados na Figura 1 e 2 são do tipo

“passe único” porque cada escoamento só passa uma vez no trocador de calor.

Porém, há também trocadores de calor com escoamento de passes múltiplos.

(OZISIK, M.N.; 1985)

5

Para Ozisik, um outro modo de diferenciar os trocadores de calor é a

partir da sua construção. Talvez o arranjo mais simples seja o duplo tubo

mostrado nos exemplos das Figuras 1.

Os trocadores de calor também podem ser classificados de acordo com

seu grau de compacidade (índice utilizado para determinar o grau de

compactação, dado em m²/m³). Os trocadores de calor construídos com canais

de escoamento que apresentam diâmetros hidráulicos pequenos tem

densidade de transferência de escoamento de calor mais alta. Os trocadores

de calor compactos apresentam densidades de área de transferência de calor

maiores do que 700 m²/m³ e são essenciais nas aplicações onde o tamanho, e

a massa, do trocador de calor é uma restrição de projeto importante (por

exemplo, sistemas de ar condicionado, automóveis, centrais de potência navais

e aeronáuticas).

Um dos tipos de trocadores de calor é o de placas, como o nome indica,

esses trocadores de calor são geralmente construídos de placas delgadas. As

placas podem ser lisas ou onduladas. Já que a geometria da placa não pode

suportar pressões ou diferenças de temperaturas tão altas quanto um tubo

cilíndrico, são ordinariamente projetados para temperaturas ou pressões

moderadas. A compacidade nos trocadores de placa se situa entre 120 e 230

m²/m³. (BEJAM, A.; 1990)

Bejam relatou que há também trocadores de placa aletada, onde o fator

de compacidade pode ser aumentado significativamente (até cerca de 6000

m²/m³). Neste tipo, os canais para escoamento dos fluidos são delimitados por

duas placas paralelas separadas por aletas ou espaçadores. A Figura 3 mostra

alguns exemplos de trocadores de calor do tipo placa aletada. Para Ozisik

estes trocadores são geralmente empregados nas trocas de gás para gás,

porém com aplicações a baixa pressão, que não ultrapassem cerca de 10 atm

(isto é, 1000 kPa). As temperaturas máximas de operação estão limitadas a

cerca de 800ºC. Trocadores de calor de placa aletada também são

empregados em criogenia.

6

Figura 3. Trocadores de calor do tipo placa.FONTE: BEJAN, 1996

Segundo Ozisik, as aletas utilizadas são conectadas às placas paralelas

através de encaixes com interferência, soldagem, brazagem ou extrusão.

Passagens alternadas, conectadas em paralelo, estão interligadas com duas

câmaras de alimentação (“headers”) e formam um lado (uma corrente) do

7

trocador de calor. As aletas são utilizadas nos dois lados da superfície de

transferência de calor nas aplicações onde os dois fluidos são gases. Em

aplicações gás-líquido, as aletas são instaladas apenas no lado do gás porque

o coeficiente de transferência de calor é mais baixo neste local. Normalmente o

objetivo de instalar aletas no lado do líquido é o de obter rigidez estrutural.

Estas estruturas podem ser contínuas, como no caso dos escoamentos

não misturados da Figura 2 ou interrompidas, como aquelas mostradas na

Figura 4. (OZISIK, M.N.; 1985)

Figura 4. Trocador de calor do tipo placa com aletas interrompidas. FONTE: BEJAN, 1996

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3. USO DA MÉDIA LOGARÍTMICA DAS DIFERENÇAS DE TEMPERATURA

Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor é

essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a grandezas tais

como: as temperaturas de entrada e de saída dos fluidos, o coeficiente global

de transferência de calor, e a área superficial total disponível para a

transferência de calor. Duas dessas relações podem ser obtidas, de imediato,

pela utilização de balanços globais de energia nos fluidos quente e frio,

conforme mostrado na Figura 05.

Figura 5. Balanços globais de energia nos fluidos quente e frio em um trocador de calor com dois fluidosFonte: INCROPERA & DEWITT, 1998

Em particular, se q representar a taxa total de transferência de calor entre os

fluidos quente e frio, e a transferência de calor entre o trocador e as

vizinhanças for desprezível, assim como as mudanças nas energias potencial e

cinética no sistema, um balanço de energia, Equação 1, fornece

Equação 1

e

Equação 2Onde i é a entalpia do fluido. Os índices subscritos q e f se referem aos fluidos

quente e frio, respectivamente, enquanto os índices e e s designam as

condições do fluido na entrada e na saída, respectivamente. Se os fluidos não

mudam de fase e se forem admitidos calores específicos constantes, essas

expressões se transformam em

9

Equação 3

e

Equação 4onde as temperaturas que aparecem nas expressões se referem às

temperaturas médias dos fluidos nas localizações indicadas. Note que as

equações 1,2,3, e 4 são independentes da configuração do escoamento e do

tipo do trocador de calor.

Uma outra expressão útil pode ser obtida relacionando-se a taxa total de

transferência de calor q à diferença de temperatura ΔT entre os fluidos quente

e frio, onde:

Equação 5

Tal expressão seria uma extensão da lei do resfriamento de Newton, com o

coeficiente global de transferência de calor U usado no lugar de um único

coeficiente de transferência de calor h. contudo, como ΔT varia em função da

posição do trocador de calor, torna-se necessário trabalhar com uma equação

para a taxa de transferência de calor na forma

Equação 6

Onde ΔTm é uma média apropriada de diferenças de temperaturas. A equação

6 pode ser usada em conjunto com as equações 1,2,3 e 4 para efetuar uma

análise de trocadores de calor. Entretanto, antes de realizar essa análise, a

forma especifica de ΔTm deve ser estabelecida. Deve-se considerar, em

primeiro lugar, o trocador de calor com escoamento em paralelo.

3.1 O trocador de calor com escoamento em paralelo

As distribuições de temperaturas nos fluidos quente e frio associadas a

um trocador com escoamento em paralelo estão mostradas na Figura 6.

Inicialmente, a diferença de temperaturas ΔT entre os dois fluidos é grande,

porém diminui rapidamente com o aumento de x, aproximando-se

assintoticamente de zero. É importante notar que, nesse tipo de trocador, a

temperatura de saída do fluido frio nunca pode exceder a do fluido quente. Na

10

Figura 6, os índices subscritos 1 e 2 são usados para designar as extremidades

opostas do trocador de calor. Para o escoamento em paralelo tem-se que

Tq,e=Tq,1; Tq,s=Tq,2; Tf,e=Tf,1 e Tf,s=Tc,2.

A forma de ΔTm pode ser determinada pela aplicação de um balanço de

energia em elementos diferenciais nos fluidos quente e frio. Cada elemento

possui um comprimento dx e uma área de transferência de calor dA, conforme

ilustrado na Figura 6. Os balanços de energia e a análise subseqüente estão

sujeitos às seguintes considerações:

1. O trocador de calor encontra-se isolado termicamente da vizinhança, ou

seja, a troca de calor ocorre unicamente entre os fluidos quente e frio.

2. A condução de calor na direção axial ao longo dos tubos é desprezível.

3. Mudanças nas energias cinéticas e potencial são desprezíveis.

4. Os calores específicos dos fluidos são constantes.

5. O coeficiente global de transferência de calor é constante.

Os calores específicos variam em função das mudanças na temperatura,

e o coeficiente global de transferência de calor varia devido a mudanças nas

propriedades dos fluidos e nas condições de escoamento. Contudo, em muitas

aplicações essas variações não são significativas, e é razoável trabalhar com

valores médios de cp,f, cp,q e U no trocador de calor.

Aplicando um balanço de energia em cada um dos elementos

diferenciais mostrados na Figura 6, tem-se que

Equação 7e

Equação 8Onde Cq e Cf são as taxas de capacidade calorífica do fluidos quente e frio,

respectivamente. Essas expressões podem ser integradas ao longo do trocador

de calor, fornecendo os balanços de energia globais representados pelas

equações 3 e 4. a transferência de calor através da área dA também pode ser

expressa por

Equação 9

Onde ΔT=Tq-Tf é a diferença de temperatura local entre os fluidos quente e frio.

11

Para determinar a forma integrada da equação 5, inicia-se pela

substituição das equações 6 e 7 na forma diferencial da equação 5

Obtendo

Q,

Substituindo dq a partir da equação 9 e integrando ao longo do trocador

de calor, obtemos

Ou

Substituindo Cq e Cf a partir das equações 3 e 4, respectivamente,

segue- se que

Reconhecendo que, no trocador de calor com escoamento em paralelo

mostrado na Figura 6, ΔT1=(Tq,e-Tf,e) e ΔT2=(Tq,s-Tf,s), obtemos então:

12

Figura 6. Distribuições de temperaturas em um trocador de calor com escoamento dos fluidos em paralelo

Fonte: INCROPERA & DEWITT, 1998

Comparando a expressão anterior com a equação 6, conclui-se que a

diferença média de temperaturas apropriada é uma média logarítmica das

diferenças de temperaturas, ΔTml. Consequentemente, podemos escrever

Equação 10

Onde,

(INCROPERA & DEWITT, 1998)

13

4. TEMPERATURA MÉDIA LOGARÍTMICA CORRIGIDA

O conceito da diferença média logarítmica de temperaturas foi

desenvolvido para um trocador de tubo concêntrico, bastante simples.

Entretanto, há situações mais sofisticadas como aquelas envolvendo

trocadores de passes múltiplos cujos tratamentos matemáticos são bastante

complexos. Consequentemente, é usual utilizar um procedimento corretivo

simples para facilitar os cálculos:

onde o fator F de correção é determinado a partir de gráficos para diversas

configurações. Nestes gráficos, F depende de dois fatores:

Onde

É interessante notar que o fator de correção F é menor do que um e se

aproxima de 1 quando P ou R tende a zero. (BEJAN, 1996).

14

5. ANÁLISE DE TROCADORES DE CALOR: O MÉTODO DA EFETIVIDADE – NUT

É simples utilizar o método da média logarítmica das diferenças de

temperatura (LMTD – log mean temperature difference) na análise de

trocadores de calor quando as temperaturas na alimentação dos fluidos são

conhecidas e as temperaturas de saída ou são especificadas ou podem ser

determinadas de imediato pelas expressões que representam o balanço de

energia, Equações 3 e 4. O valor de ∆Tml para o trocador de calor pode então

ser determinado. Contudo, se apenas as temperaturas na entrada forem

conhecidas, o uso do método da LMTD exige um processo iterativo. Em tais

casos, é preferível utilizar um procedimento alternativo, conhecido por método

da efetividade- NUT (-NUT).

5.1 Definições

Para definir a efetividade de um trocador de calor, devemos em primeiro

lugar determinar a máxima taxa de transferência de calor possível em um

trocador, qmáx. Essa taxa de transferência de calor poderia, em princípio ser

obtida em um trocador em contracorrente com comprimento finito. Nesse

trocador, um dos fluidos iria apresentar a máxima diferença de temperaturas

possível, Tq,e – Tf,e. Como ilustração, considere uma situação na qual Cf < Cq,

onde, pelas Equações 7 e 8, . O fluido frio iria então experimentar a

maior variação de temperatura e, uma vez que L→∞, ele seria aquecido até

temperatura de alimentação do fluido quente (Tf,s= Tq,e). Consequentemente,

pela Equação 4, Cf<Cq : qmáx=Cf(Tq,i – Tf,i).

De maneira análoga, se Cq < Cf, o fluido quente iria experimentar a maior

variação de temperatura e seria resfriado até a temperatura de alimentação do

fluido frio (Tq,s = Tf,e). Pela Equação 3, obteríamos Cq< Cf , logo, qmáx=Cq (Tq,i –

Tf,i).

Com base nos resultados anteriores, podemos escrever a expressão

geral:

Equação 11

15

Onde Cmín é igual à taxa que apresentar menor valor entre C f ou Cq. Para

temperaturas de alimentação dos fluidos quente e frio conhecidas, a Equação

11 fornece a taxa máxima de transferência de calor que seria obtida em um

trocador de calor. Analisando esta equação é possível perceber que a taxa

máxima de transferência de calor possível não é igual a Cmáx(Tq,e – Tf,e). Se o

fluido que apresenta a maior taxa de capacidade calorífica também

experimentar a máxima variação de temperatura possível, a equação para a

conservação de energia na forma Cf(Tf,s – Tf,e) = Cq(Tq,e – Tq,s) iria exigir que o

outro fluido experimentasse uma variação de temperatura ainda maior. Por

exemplo, se Cmáx = Cf e fosse argumentado que é possível que Tf,s seja igual a

Tq,e, segue-se que(Tq,e – Tq,s )=(Cf/Cq)(Tq,e – Tf,e), ou seja, (Tq,e – Tq,s) > (Tq,e –

Tf,e). Tal condição é, obviamente, impossível.

Desta maneira pode-se definir a efetividade, ·, como a razão entre a

taxa real de transferência de calor em um trocador de calor e a taxa máxima de

transferência de calor possível:

Equação 12

Pelas Equações 3, 4 e 11, segue-se que:

Equação 13Ou

Equação 14

Por definição, a efetividade que é um parâmetro adimensional, deve

estar no intervalo Ela é útil, uma vez que, se os valores de , Tq,e e Tf,e

forem conhecidos, a taxa real de transferência de calor pode ser determinada

de imediato pela expressão:

Equação 15

Para qualquer trocador de calor, pode ser mostrado que:

16

Equação 16

Onde Cmín/Cmáx é igual a Cf/Cq ou Cq/Cf, dependendo das magnitudes relativas

das taxas de capacidades caloríficas dos fluidos quente ou frio. O número de

unidades de transferência (NUT) é um parâmetro adimensional amplamente

utilizado na análise de trocadores de calor, sendo definido pela expressão:

Equação 17

5.2 Relações Efetividade – NUT

Para determinar a forma específica da relação efetividade-NUT,

Equação 16, considere um trocador de calor com escoamento em paralelo no

qual Cmín = Cq. Pela Equação 13, obtemos então:

Equação 18E, das Equações 3 e 4, segue-se que

Equação 19

Considerando agora a Equação 10, que pode ser escrita na forma

Equação 20Ou pela Equação 17:

Equação 21

Rearranjando o lado esquerdo dessa expressão de acordo com:

17

Equação 22

E substituindo Tf,s,a partir da Equação 19, segue-se que

Equação 23

ou pela Equação 18,

Equação 24

Substituindo a expressão anterior na Equação 21 e explicando ,

obtemos para o trocador de calor com escoamento em paralelo:

Equação 25

Como exatamente o mesmo resultado pode ser obtido para Cmín = Cf, a

Equação 25 se aplica para qualquer trocador de calor com escoamento em

paralelo, independentemente do fato da taxa de capacidade calorífica mínima

estar associada ao fluido quente ou ao fluido frio.

Em cálculos envolvendo projeto de trocadores de calor, é mais

conveniente trabalhar com relações -NUT na forma:

Equação 26

18

6. METODOLOGIA PARA O CÁLCULO DE TROCADORES DE CALOR

Dois procedimentos foram desenvolvidos para efetuar a análise de

trocadores de calor, o método da LMTD e o método -NUT. Em qualquer

problema, ambos os métodos podem ser utilizados e fornecem resultados

equivalentes. Contudo, dependendo da natureza do problema, o método -NUT

pode ser mais fácil de ser implementado.

Obviamente, o uso do método da LMTD, Equações 11 e 12, é facilitado

pelo conhecimento das temperaturas de alimentação e de saída dos fluidos

quente e frio, uma vez que o valor ∆Tml pode ser facilmente calculado.

Problemas nos quais essas temperaturas são conhecidas podem ser

classificados como problemas de projeto de trocadores de calor. Tipicamente,

as temperaturas de alimentação dos fluidos e vazões, bem como uma

temperatura de saída desejada, do fluido quente ou do fluido frio, são

especificadas. O problema de projeto torna-se então o de selecionar um tipo

apropriado de trocador de calor e o de determinar as suas dimensões, isto é,

determinar a área de transferência de calor, A, necessária para atingir a

temperatura de saída desejada. Por exemplo, considerando uma aplicação na

qual os valores de ,Tf,e, e Tq,e, sejam conhecidos e o objetivo é o de

especificar um trocador de calor que irá fornecer o valor desejado para Tf,s. Os

valores correspondentes de q e Tq,s podem ser calculados a partir dos balanços

de energia, Equações 4 e 3 respectivamente, e o valor da ∆Tml pode ser

determinado pela sua definição, Equação 12. Usando a equação para a taxa de

transferência de calor (Equação 11), torna-se então uma questão simples a

determinação do valor de A desejado. Obviamente, o método do -NUT

também pode ser usado para fornecer o valor de A, partindo-se da

determinação de e (Cmín/Cmáx). O gráfico (ou equação) apropriado é então

utilizado no cálculo do NUT, que, por sua vez, é usado para determinar A.

Alternativamente, o tipo e as dimensões do trocador de calor podem ser

conhecidos, e o objetivo, a determinação da taxa de transferência de calor e as

temperaturas de saída dos fluidos para vazões e temperaturas de alimentação

especificadas. Embora o método da média logarítmica de temperatura possa

ser usado nesse cálculo do desempenho de um trocador de calor, as contas

19

seriam tediosas, exigindo iterações. Por exemplo, poderia ser feita uma

estimativa para o valor de Tf,s; e as Equações 4 e 3 poderiam ser usadas para

determinar q e Tq,s; respectivamente. Conhecendo todas as temperaturas dos

fluidos, valor de ∆Tml seria determinado e a Equação 11 poderia então ser

utilizada para, novamente, calcular o valor de q. A estimativa inicial pra Tf,s

estaria correta se os valores de q, obtidos pelas Equações 4 e 11, estivessem

em concordância. No entanto, tal concordância no início do processo é fortuita,

e é provável que haja necessidade de um procedimento iterativo em relação ao

valor de Tf,s.

A natureza iterativa da solução acima poderia ser eliminada pelo uso do

método -NUT. A partir do conhecimento do tipo e das dimensões do trocador

de calor, bem como das vazões de ambos os fluidos, os valores de NUT e de

(Cmín/Cmáx) podem ser calculados, e, assim, o valor de pode ser determinado

através do gráfico (ou equação) apropriado. Uma vez que qmáx também pode

ser calculada pela Equação 11 torna-se uma questão simples determinar a taxa

real de transferência de calor com base na exigência de que q = qmáx. As

temperaturas de saída dos dois fluidos podem então ser determinadas pelas

Equações 3 e 4.

20

7. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Mesmo sendo um trocador versátil, compacto e de alta eficiência

térmica, o trocador de calor de placa e placa aletada possui limitações de

operação impostas pelo uso intensivo de gaxetas. A seguir são apresentadas

as principais vantagens e desvantagens deste tipo de trocador de calor.

7.1 Principais Vantagens dos trocadores de calor de placa e placa aletada

- Limpeza: como o trocador de calor de placa e placa aletada 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 trocadores de calor de placa e placa aletada são muito

flexíveis; adicionando ou removendo placas eles podem ser redimensionados

para novas condições de processo. A área de troca térmica de um deste tipo

de trocador pode variar entre 0,1 e 2500 m2 dependendo do tipo e do número

de placas.

- Economia: como estes trocadores são compactos, podem ser usados

materiais mais nobres na fabricação das placas, o que seria proibitivo em

trocadores mais robustos como o casco-e-tubos. O espaço para instalação é

também bastante reduzido para os trocadores de calor de placa e placa

aletados. 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 trocadores de calor de placa e placa aletada

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 com valores de número de Reynolds da ordem de 20

a 400 dependendo do tipo de placa (vale lembrar que o valor mínimo de

Reynolds para escoamento turbulento em tubos lisos é 2.300). A turbulência

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também reduz a formação de incrustações pois mantém os sólidos em

suspensão. Os fatores de incrustação (fouling factors) para os trocadores de

calor de placa e placa aletado são aproximadamente dez vezes menores

daqueles adotados para os trocadores casco-e-tubos.

- Incrustação reduzida em função da turbulência: ocasionando menos

paradas para limpeza;

- 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.

- Bastante compacto: ocupa uma área cinco vezes menor que a

requerida por um trocador multitubular (casco-tubo).

- Fácil de montar.

- Fornece grandes áreas de troca ocupando pouco espaço;

- Pode operar com mais de dois fluidos;

- Baixo custo inicial;

- Não é necessário isolamento;

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

- Possibilidade de respostas rápidas em função do pequeno volume de

fluido retido no trocador;

- Com trocadores de calor a placas é possível aproveitar ao máximo a

energia térmica disponível no sistema, sem novos custos, transferindo-a para

outra parte do processo onde será melhor aproveitada;

7.2 Principais Desvantagens dos trocadores de calor de placa e placa aletada

-  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 trocador de calor de placa e placa aletada perde a sua

flexibilidade e não pode mais ser limpo internamente.

- Temperatura: para que o o trocador possa trabalhar acima de 150 oC é

necessário o uso de gaxetas especiais, pois as de material elastomérico não

suportam tal condição.

22

- 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. Todavia, isto também reduzirá o coeficiente

convectivo de troca térmica e a eficiência do trocador.

- Mudança de Fase: em casos especiais os trocadores de calor de placa

e placa aletada 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 trocador. 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

trocadores de calor de placa e placa aletada 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. Recentemente os

presentes autores apresentaram uma metodologia para a seleção da

configuração ótima no projeto do trocador.

- São usados para aplicações gás-gás e gás-líquido.

- Cada uma das formas podem ser planas ou perfuradas e alguns

desenhos promovem turbulência e mistura.

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8. APLICAÇÕES

Não precisa de equipamento exclusivo, pois o comprimento final da

placa não depende do equipamento de laminação. Versatilidade com a nova

tecnologia, pois possibilita a confecção de placas aletadas com diferentes

comprimentos.

Placa aletada, que podem ser utilizadas como uma placa absorvedora

para aquecimento de água ou para climatização de ambientes.

De forma geral, os trocadores de calor de placa e placa aletadas 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 trocadores são fundamentais para

estes processos industriais.

Uma das aplicações mais importantes dos trocadores de calor de placa

e placa aletadas é na pasteurização do leite. Neste processo o trocador 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 %. Na Figura 7, 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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Figura 7. Esquema do processo de pasteurização indicando as três seções do trocador de calor de placa e placa aletado

Outra importante aplicação dos trocadores de calor de placa e placa

aletadas é no sistema central de resfriamento de plantas petroquímicas,

metalúrgicas, de papel e celulose ou de geração de energia. Usando água do

mar, de rios ou de uma torre de resfriamento, o trocador resfria um circuito

fechado de água tratada que atende o processo. Desta forma, os problemas de

corrosão e de incrustação nos equipamentos do processo são transferidos para

o trocador, que pode ser fabricado em titânio para operação com água do mar.

São aplicados também em:

- Aquecimento de piscinas;

- Aquecimento de água de consumo (para chuveiros, banheira, cozinha,

etc.);

- Calefação através de piso radiante;

- Aquecimento de água ou outros fluidos em processos industriais

(fábricas, lavanderias, hotéis, etc);

- Refrigeração;

- Unidade condensadora para refrigeração comercial e industrial;

- Balcões frigoríficos e geladeiras expositoras comerciais;

- Refrigeração de gás com gás, criogenia;

- Sistema para ar condicionado para ônibus e trens;

- Resfriamento ou aquecimento de óleo e outros fluidos;

- Empregados em veículos de transporte de alimentos;

- Indústrias de hidrogeração;

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- Indústrias de papel, celulose;

- Usinas açucareiras;

- Petroquímicas e químicas;

- Muito difundidos em plantas de biodisel;

- Recuperadores de água em torres de resfriamento;

- Sistemas de resfriamento de água nas indústrias;

- Sistemas em circuito fechado de resfriamento

- Aquecimento e ventilação de edifícios;

- Secadores;

- Fornos;

- Em operações de uma única fase contendo dois líquidos ou para

aplicações de duas fases contendo um gás e um líquido, funcionando como

condensadores, evaporadores ou reboilers;

- Para uma enorme gama de fluidos com diferentes viscosidades e

contendo sólidos/ fibras;

- Como unidades dois-em-um, assim o perfil de temperatura e o fluxo

podem ser controlados exatamente como requerido;

- Self container para ar condicionado predial e telecomunicações;

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9.BIBLIOGRAFIA

BEJAM, A.; Transferência de calor. Editora Edgar Blucher Ltda. – São Paulo,

1996

OZISIK, M.N; Transferência de calor. Editora Guababara Jiigan S.A.-Rio de

Janeiro,1985

INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de transferência de calor

de massa. Editora LTC, 4º Edição. Rio de Janeiro, 1998.

Gut J. A. W. e Pinto J. M. Pinto; Conhecendo os trocadores de calor a

placas; Departamento de engenharia química – Universidade de São Paulo;

São Paulo; 2003.

Universidade Federal de Santa Catarina - Departamento de Engenharia

Química e Engenharia de Alimentos. Disponível em:

http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/Trocadores_de_calo

r_2.pdf. Acesso em 19/11/2009 às 21:36 hrs

Unisinos. Disponível em :

http://www.exatec.unisinos.br/~jaqueline/sisterm/Transcompac_II.doc

Acesso em 20/11/2009 às 12:19 hrs

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