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ConhecendoosTrocadores

deCaloraPlacas

JorgeA.W.GuteJosM.PintoDep.deEng.QumicaUniversidadedeSoPaulo

Av.Prof.LucianoGualberto,trav.3,380SoPaulo/SP05508.900

jompinto@usp.br

1.Introduo

OtermotrocadordecaloraplacaseasiglaPHE(plate heat exchanger) so normalmente usadospara representaro tipomaiscomumde trocadoraplacas:otrocadordecaloraplacascomgaxetas(gasketedplateheatexchangerouplateandframeheat exchanger). Entretanto, existem ainda outrostiposmenoscomunsdetrocadoresaplacas,comooespiral ou o de lamela. Em todos eles, os fluidosescoamporestreitoscanaise trocamcaloratravsde finas chapas metlicas. Neste artigo seroapresentados os trocadores a placas com gaxetas,destacando suas principais caractersticas deconstruo e de operao. Alguns exemplos dePHEssomostradosnaFigura1.

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Figura1:DiferentesmodelosdetrocadoresdecaloraplacascomgaxetasouPHEs(APV/Invensys)

Os PHEs foram introduzidos comercialmente nadcadade30paraatendersexignciasdehigienee limpeza das industrias alimentcias efarmacuticas, pois eles podem ser facilmentedesmontados, limpos e inspecionados. Entretanto,contnuosaperfeioamentos tecnolgicos tornaramo PHE um forte concorrente aos tradicionaistrocadores de cascoetubos ou duplotubo emvriasoutrasaplicaes industriais.AtualmenteosPHEs so extensamente empregados em diversosprocessos de troca trmica entre lquidos compressesetemperaturasmoderadas(at1,5MPae150oC)quandosedesejaaltaeficinciatrmica.

2.ConstruoeMateriais

OsPHEssoformadosbasicamenteporumpacotede finas placas metlicas prensadas em umpedestal, como mostra a Figura 2. O pedestalpossuiumaplacafixa,umaplacadeapertomvel,barramentos inferior e superior e parafusos de

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aperto.Asplacasfixaedeapertopossuembocaispara conexo das tubulaes de alimentao e decoletadosfluidos.

Figura2:Trocadordecaloraplacasabertoesuaspartesprincipais

As placas do PHE possuem orifcios nos cantospara a passagem dos fluidos e so seladas nasextremidades por gaxetas (tambm chamadas dejuntas)dematerialelastomrico.Quandoasplacasso alinhadas e prensadas no pedestal, formaseentre elas uma srie de canais paralelos deescoamento.A parte central da placa corrugada(ondulada) para aumentar a turbulncia doescoamento dentro destes canais e tambm paraaumentar a resistncia mecnica do pacote deplacas,quepodeterde3a700placasdependendodacapacidadedopedestal.

Existe uma grande variedade de tamanhos edesenhosdeplacas,comopodeservistonaFigura3.Areadetrocatrmicaporplacavariade0,03a3,6m2eaespessuradachapadecercade1mm.Os tipos mais comuns de corrugaes so achevron(ouespinhadepeixe)eawashboard(outbuadelavar),indicadosnaFigura3.Ongulodeinclinaodasranhuraschevronumparmetro

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muitoimportanteparaodimensionamentodoPHEpois ele tem forte influncia sobreos coeficientesde troca trmica e sobre a perda de carga dosfluidos.

Figura3:VariedadedetamanhosedesenhosdeplacasparaosPHEs(SECPlateandFrame)

Opedestal doPHEnormalmente construdo emaocarbonocompinturaanticorrosiva.Jasplacasso feitas de algum metal dctil que possa serlaminadoeprensadoequetambmsejaresistentecorroso.Paraamaiorpartedasaplicaesusaseo ao inoxidvel AISI316, mas outros materiaismaisnobrespodemserutilizadoscomootitnioouligasdecobreenquel,dependendodascondiesde processo. As gaxetas so fabricadas comelastmeros, em especial as borrachas butlicas enitrlicas. Outros materiais, como o amianto,podemserusadosquandosedeseja trabalhar comtemperaturassuperioresa150oC.

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3.Configurao

O espao compreendido entre duas placas umcanal de escoamento, que pode ter uma espessurade 1,5 a 5 mm. O fluido entra e sai dos canaisatravsdosorifciosnasplacaseoseucaminhopordentro do PHE definido pelo desenho dasgaxetas, pelos orifcios abertos e fechados dasplacas e pela localizao das conexes dealimentao. A configurao do PHE define astrajetrias dos fluidos quente e frio dentro dotrocador e existe um grande nmero depossibilidadesdeconfigurao.

AdistribuiodofluxopeloscanaisdoPHEfeitana forma de passes, compostos por um certonmero de passagens. Cada vez que o fluxomudadesentido,mudasedepasse.NaFigura4mostrado um exemplo de configurao para umPHEcomnoveplacas,ondepossvelobservarosorifciosabertosefechadosdasplacasetambmodesenho das gaxetas que definem a direo e osentido do escoamento em cada canal. No casodesteexemplotmseoitocanaisdeescoamento,ofluidoquentefazdoispassesdeduaspassagenseofluidofriofazquatropassesdeumapassagem.

Figura4:ExemplodeconfiguraoparaumPHEcomnoveplacas

Os nmeros de passes e de passagens definem oarranjo de passes do PHE. Para o exemplo na

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Figura 4, o arranjo 2/4 (dois passes por quatropasses)ou22/41 (doispasses deduaspassagenspor quatro passes de uma passagem).Os tipos dearranjosmaiscomunssoaquelesemparaleloondeos dois fluidos fazem apenas umpasse (arranjo1n/1m) e aqueles em srie onde os fluxos nosofrem divises, ou seja, cada passe tem apenasumapassagem(arranjon1/m1).Quandoumoutrotipodearranjonecessrio,procuraseconfigurlo para que o fluxo entre os canais vizinhos noPHEsejapredominantementecontracorrente,oquemaximiza a troca trmica. Na Figura 5 somostradosexemplosdearranjosemparaleloeemsrie para PHEs de nove placas. So tambmapresentados exemplos de arranjos multipassesimtrico e assimtrico. No caso simtrico, onmerodepassesomesmoparaosdoisfluidos.

Figura5:ExemplosdearranjosdepassesparaumPHEcomnoveplacas

O arranjo paralelo tipo U na Figura 5 muitoutilizado pois todas as conexes de tubulao sofeitas na placa fixa, deixando a placa de apertolivre para a desmontagem do trocador. Outravantagemdestearranjoquetodososcanaisestoem escoamento contracorrente com os canaisvizinhos.Jemumarranjomultipasseassimtrico

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predomina o escoamento paralelo entre canaisvizinhos,comopodesevernoexemplodaFigura5. Arranjos assimtricos so usados somente noscasosemqueexistaumagrandediferenaentreascapacidadestrmicasdosfluidosquenteefrio.

4.VantagenseDesvantagens

Mesmosendoumtrocadorverstil,compactoedealtaeficinciatrmica,oPHEpossuilimitaesdeoperaoimpostaspelousointensivodegaxetas.Aseguir so apresentadas as principais vantagens edesvantagensdestetipodetrocadordecalor.

4.1PrincipaisVantagensdosPHEs

Limpeza:comooPHEdesmontvel,possvellimpar e inspecionar todas as partes em contatocom os fluidos. No processamento de produtosalimentcios ou farmacuticos esta caracterstica fundamental.

Flexibilidade: os PHEs so muito flexveisadicionando ou removendo placas eles podem serredimensionados para novas condies deprocesso.AreadetrocatrmicadeumPHEpodevariarentre0,1e2500m2dependendodotipoedonmerodeplacas.

Economia:comoosPHEssocompactos,podemserusadosmateriaismaisnobresnafabricaodasplacas, o que seria proibitivo em trocadoresmaisrobustos como o cascoetubos. O espao parainstalao tambm bastante reduzido para osPHEs. Um mesmo pedestal pode at acomodarmais de uma seo de troca trmica utilizandoplacas especiais chamadas grades conectoras,

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essenciais nos processos de pasteurizao onde ofluidodeprocessoaquecidoedepoisresfriadonomesmotrocador.

RendimentoTrmico:osPHEssotrocadoresdealta eficincia trmica, sendo possvel obterdiferenas de temperatura de at 1 oC entre osfluidos.

Turbulncia: as placas corrugadas aumentam aturbulnciadoescoamentodentrodoscanais.Destaforma, possvel obter o regime turbulento deescoamento com valores de nmero de Reynoldsdaordemde20a400dependendodotipodeplaca(valelembrarqueovalormnimodeReynoldsparaescoamento turbulento em tubos lisos 2.300).Aturbulncia tambm reduz a formao deincrustaespoismantmosslidosemsuspenso.Os fatoresde incrustao (foulingfactors)para osPHEs so aproximadamente dez vezes menoresdaqueles adotados para os trocadores cascoetubos.

Vazamentos nas gaxetas: as gaxetas possuemrespiros que impedemqueos fluidos semisturemno casode alguma falha, o que tambm facilita alocalizaodevazamentos.

4.2PrincipaisDesvantagensdosPHEs

Presso:presses superioresa1,5MPanosotoleradas,poisocasionamvazamentosnasgaxetas.Existeapossibilidadedesoldarasplacasumassoutras para operar sob altas presses, como nostrocadores a placas brazados,mas o PHE perde asua flexibilidade e no pode mais ser limpointernamente.

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Temperatura: para que o PHE possa trabalharacima de 150 oC necessrio o uso de gaxetasespeciais, pois as de material elastomrico nosuportamtalcondio.

PerdadeCarga:devidosplacascorrugadaseaopequenoespaodeescoamentoentreelas, aperdadecargaporatritoalta,oqueelevaoscustosdebombeamento. Para diminuir a perda de cargapodeseaumentaronmerodepassagensporpassepara que o fluxo seja dividido em um nmeromaior de canais. Desta forma a velocidade deescoamento dentro dos canais ser menor,reduzindo o fator de atrito. Todavia, isto tambmreduzirocoeficienteconvectivodetrocatrmicaeaeficinciadotrocador.

Mudana de Fase: em casos especiais os PHEspodemserusadosemoperaesdecondensaooude evaporao, mas eles no so recomendadospara gases e vapores devido ao espao reduzidodentrodoscanaiseslimitaesdepresso.

Fluidos: o processamento de fluidos de altaviscosidade ou contendo materiais fibrosos no recomendadoporcausadaaltaperdadecargaedeproblemas de distribuies de fluxo dentro doPHE. Devese verificar ainda a compatibilidadeentre os fluidos e o material de fabricao dasgaxetas.

Vazamentos nas placas: a frico entre placaspodedesgastarometaleformarpequenosfurosdedifcil localizao. Como precauo, aconselhvelpressurizaro fluidodeprocessoparaque, no caso de vazamento na placa, o fluido deutilidadenoocontamine.

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Dimensionamento: os mtodos rigorosos dedimensionamentodosPHEsaindasopropriedadedos fabricantes e so especficos aos modeloscomercializados. Em contrapartida, mtodosgenricos de dimensionamento para trocadorescascoetubos ou duplotubo encontramsedisponveis na literatura aberta. Recentemente ospresentes autores apresentaram uma metodologiaparaaseleodaconfiguraotimanoprojetodePHEs.

5.Aplicaes

De forma geral, os PHEs so utilizados emoperaes de resfriamento, aquecimento ou derecuperao de calor entre lquidos comtemperaturas inferiores a 150 oC e presses nomaiores que 1,5 MPa. Eles so extensivamenteusadosnoprocessamentodeprodutosalimentcioscomo laticnios, sucos e cervejas e tambm naindstria farmacutica para esterilizao demeiosde cultura. A facilidade de limpeza interna e decontrole da temperatura dos PHEs sofundamentaisparaestesprocessosindustriais.

Umadasaplicaesmais importantesdosPHEsnapasteurizaodoleite.NesteprocessooPHEdivididoemtrsseesdetrocatrmica,umaparaaquecimento do leite cru at a temperatura depasteurizao, outra para resfriamento do leitepasteurizado at a temperatura de embalagem eumaseopararecuperaodecalor.Nestaltimaseo, designada regenerao, o leite cru praquecido usando o leite quente pasteurizado e arecuperaodecalorpodesersuperiora90%.NaFigura 6, o processo de pasteurizao

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esquematizadoepodeseobservarastrsseesdetrocatrmicaocupandoomesmopedestaldoPHE.As grades conectoras so usadas para separar assees.

Figura6:EsquemadoprocessodepasteurizaoindicandoastrsseesdoPHE

OutraimportanteaplicaodosPHEsnosistemacentral de resfriamento de plantas petroqumicas,metalrgicas,depapeleceluloseoudegeraodeenergia.Usando gua domar, de rios ou de umatorre de resfriamento, o PHE resfria um circuitofechado de gua tratada que atende o processo.Desta forma, os problemas de corroso e deincrustao nos equipamentos do processo sotransferidosparaoPHE,quepodeserfabricadoemtitnioparaoperaocomguadomar.

6.OndeSaberMais

Livrossobretrocatrmicanormalmentetrazemumcaptulodedicadoaostrocadoresaplacascontendoinformaesimportantessobresuascaractersticas,aplicaes,detalhesdeconstruoedeoperaoetambm equaes bsicas para clculo da trocatrmica e da perda de carga. Algumas daspublicaes mais significativas esto listadas na

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bibliografiadesteartigo.

Outras fontes interessantes de informao soalgumas pginas de fabricantes e comerciantes detrocadoresaplacasdisponveisnainternet:

AlfaLavalhttp://www.hvac.alfalaval.com

APIHeatTransferhttp://www.apiheattransfer.com

APV/Invensyshttp://www.apv.invensys.com

CiprianiScambiatorihttp://www.cipriani.it

FlatPlatehttp://www.flatplate.com

HRSHeatExchangershttp://www.hrs.co.uk

PHEBrasilhttp://www.phe.com.br

PolarisPlateHeatExchangershttp://www.polarisphe.com

SECPlateandFramehttp://www.secplateandframe.com

SWEPHeatExchangershttp://www.swep.se

Tranterhttp://www.tranterphe.com

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WCRRegasketinghttp://www.wcrregasketing.com

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro daFAPESP ao projeto Configuraes timas paraTrocadoresdeCaloraPlacas(00/136354).

Bibliografia

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