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TROCADORES DE CALOR
Trocador ou permutador de calor é um
equipamento utilizado para aquecer,
resfriar, vaporizar ou condensar fluídos de
acordo com as necessidades do
processo, utilizando-se uma parede
normalmente metálica para separação
dos fluídos, em alguns casos essa parede
pode ser de materiais não metálicos,
como por exemplo, trocadores de calor
com tubos de grafite utilizados nas
unidades de ácido fosfórico.
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• Quanto a Passagem de Fluídos
• Em Corrente Paralela
• São os tipos de trocadores nos quais os
fluídos fazem a troca térmica percorrendo
o trocador no mesmo sentido.
• A temperatura de saída do fluído quente
T2 não poderá ser mais baixa que a
temperatura de saída do fluído frio t2,
pois, quando as temperaturas dos fluídos
se igualarem, cessa a transferência de
calor.
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•
•
•
Corrente Paralela
O trocador com passagem em corrente paralela é usado quando se
deseja uma transferência de calor muito grande no início, com
rápido resfriamento.
Exemplo:
Na pasteurização, o leite deve ser submetido logo no início a uma
temperatura de 80° para eliminar bactérias, e deve ser resfriado
rapidamente para não alterar suas propriedades e paladar.
PASSAGEM DE FLUÍDOS
EM CORRENTE PARALELA
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Corrente Contra-corrente
São os tipos de trocadores nos quais os fluídos percorrem o trocador
em sentido contrário.
• A temperatura de saída do fluído quente T2 poderá ser mais baixa
que a temperatura de saída do fluído trio t2, porém, nunca menor
que t1.
PASSAGEM DE FLUÍDOS
EM CONTRA-CORRENTE
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Trocador de calor multitubular
Um trocador de calor multitubular, consta de um feixe
de tubos presos por suas extremidades à duas
placas, chamadas espelhos.
Trocadores de calor de casco
e tubos
Fonte: Foust
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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,
observe-se que estas chicanas podem ser de três tipos diferentes, a saber:
Chicanas de orifícios anulares;
Chicanas do tipo disco e anel;
Chicanas segmentadas.
Trocador 1-1
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Trocador de Calor tipo 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.
Trocador de calor
tipo serpentina
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TROCADOR DE CALOR
DE FEIXE PARALELO
1. tampa do flutuante;
2. jogo de parafusos;
3. junta;
4. chicana.
Tipo placa
Os trocadores tipo placa são disponíveis em diversas formas
diferentes: espiral; placa; placa e aleta soldada; placa aletada e tubo.
Dos quatro modelos acima, destacaremos o trocador de calor tipo
placa e quadro consiste de vários módulos semelhantes à montagem de
um filtro prensa. A vantagem é a pequena perda de carga, o número de
placas pode ser aumentado ou diminuído conforme a necessidade, boa
eficiência térmica
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Arranjo Físico
•
Trocador de calor duplo tubo
O tipo mais simples de trocador de calor, consta de
um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo
que forma a carcaça (double-pipe).
Trocadores de calor tubulares ou
duplo tubo
Fonte: Foust
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Quanto à Aplicação no Processo
•
•
Aquecedores ou preaquecedores (Heater):
Neste tipo de permutador cede-se calor sensível a um líquido por meio de
vapor d'água ou outro meio qualquer (em sentido geral, algumas fornalhas
podem estar incluídas neste tipo).
•
•
Resfriadores (Cooler):
Nesta classe estão incluídos os permutadores em que o fluido quente é
resfriado por água. A maior parte do calor é transferida como calor
sensível.
•
•
Resfriadores de líquidos
São permutadores usados com objetivo de resfriamento de produtos que
vão para tanques de armazenamento. De um modo geral, se o produto é
não volátil a escolha da temperatura de saída é definida, principalmente
por razões de segurança. No caso de produtos voláteis a temperatura de
saída do produto depende de análise econômica baseada nas perdas por
evaporação.
•
•
Resfriadores de gases
São normalmente encontrados nos compressores tanto como "aftercooler"
após compressão ou como "intercooler" intercalado entre estágios de
compressão. Normalmente utiliza-se água de refrigeração, são construídos
em tubos aletados e com freqüência há condensação de vapores.
Refervedores (Reboilers):
São equipamentos que operam em conjunto com torres de destilação,
vaporizando parte do produto do fundo. O meio de aquecimento pode ser
vapor d'água ou outra corrente mais quente da própria unidade.
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O sistema é aquecedor quando aquece o fluido do processo com o
auxílio do vapor ou outro meio qualquer.
Exemplo: aquecedor para regeneração de soda, cuja
representação esquemática é mostrada abaixo.
O sistema é refervedor (“reboiler”) quando vaporiza um líquido por
meio de vapor ou outro fluido quente.
O refervedor é utilizado para fornecer calor às torres de destilação,
vaporizando parte do produto do fundo.
Veja representação esquemática a seguir.
O sistema é gerador de vapor quando gera vapor, aproveitando
calor de um líquido quente proveniente do processo.
No resfriamento os fluidos do processo são resfriados usando água
ou outros fluidos.
A diminuição de temperatura dos líquidos a serem armazenados
evita as perdas por evaporação dos produtos leves.
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Condensadores (Condenser)
São usados para recuperação de vapores de colunas de destilação
ou de evaporadores. Normalmente o fluido refrigerante é água.
São usados também para condensar o vapor exausto de turbinas, e
ao mesmo tempo reduzindo a pressão de descarga dos mesmos. São
chamados de condensadores de superfície quando a troca de calor entre
os dois fluidos é feita através de uma superfície metálica e sob vácuo..
•
•
•
•
•
•
Feixe de Tubos
Existem três tipos fundamentais de tubos:
Lisos;
Aletados
Em U
Podendo estes três tipos com costura e sem costura.
TUBOS LISOS
São os mais comumente
encontrados na indústria
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•
Aletas Longitudinais
– Tubos aletados
•
O emprego de tubos com superfícies ampliadas é importante em casos onde o
fluxo térmico é limitado pela natureza dos fluídos que trocam calor entre si,
conjugada as condições de operação (queda de pressão, sujeira, etc.) e fatores
que dependem da economia do processo. A superfície dos tubos é ampliada
pelos mais diferentes modos possíveis, e a seleção do tipo de superfície
ampliada mais adequada a um problema vai depender da análise completa das
características do problema envolvendo fatores tais como, espaço, limpeza,
manutenção, corrosão, custo.
• Aletas
Transversal
–Tubos
aletados
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TROCADOR DE CALOR DE FEIXE EM “U”
1. casco;
2. tampa boleada;
3. tampa do carretel;
4. carretel;
5. feixe;
6. junta.
•
•
– Tubos em U
É freqüente seu uso quando há grandes gradientes de temperatura
entre os fluídos. Freqüentemente os tubos em U são obtidos por
dobramento de tubos lisos.
Um problema do projeto de permutadores com tubos em U é a
determinação do comprimento efetivo dos tubos para o cálculo da
área de troca de calor.
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Arranjo de tubos no espelho
•
•
Passo triangular: Usado
geralmente quando o fluido do
casco é limpo ou se as
incrustações podem ser
removidas por tratamento
químico. Dá melhores coeficientes
de troca de calor que o arranjo
quadrado, mas maior perda de
pressão. Uso em espelhos fixos.
Passo Quadrado : É
praticamente o único tipo usado
em refinarias, pois é de fácil
limpeza mecânica externa.
Conduz a coeficientes de
transferência menores que o
passo triangular. Evidentemente o
arranjo alternado dá melhor
coeficiente que o arranjo em linha
Trocador de calor Multitubular
Trocador de calor
Bitubular
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Fluido que passa nos tubos
Fluído mais sujo:
• . É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que a do casco.
• Fluído mais corrosivo:
• É mais fácil substituir tubos furados do que cascos.
• Fluído com mais pressão:
• Porque o casco tem menor resistência, por ser maior o seu
diâmetro.
• Fluído menos viscoso:
• A menos que a perda de carga deva ser muito baixa.
• Água de refrigeração:
• Por facilidade de limpeza.
• Fluído de menor vazão volumétrica
• Em vista de o casco oferecer maior espaço,
• Os vapores condensáveis são geralmente colocados no casco.
CALOR SENSÍVEL
Quando o calor é utilizado pela
substância apenas para variar
sua temperatura, sem troca de
estado físico.
(SEM MUDANÇA DE FASE)
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CALOR LATENTE
Quando o calor trocado é utilizado pela
substância para mudar de estado físico, sob
pressão constante, ele é chamado de calor
latente. Não há variação de temperatura.
A quantidade de calor que precisa ser
transferida por quantidade de massa para
que a substância mude de fase é quantificada
pela constante chamada de calor latente de
transformação.
(COM MUDANÇA DE FASE)
Formas de transferência
(propagação) de calor
Condução: ocorre de sólido para sólido
do mais quente para o mais frio
Convecção: ocorre do sólido para um fluido (líquido ou gás)
em movimento
Radiação: é um fenômeno de superfície (o brilho é
importante)
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CONDUÇÃO
Transferência de energia de
partículas mais energéticas para
partículas menos energéticas.
Necessita obrigatoriamente de meio
material para se propagar.
Característico dos sólidos.
Fonte:
www.terra.com.br/fisicanet
Exemplo: Copo que se aqueçe com leite quente. Faca aquecida ao fogo.
CONVECÇÃO
O transporte de energia térmica por
convecção caracteriza-se pelo movimento
de partículas mais energéticas por entre
partículas menos energéticas.
É o transporte de calor típico dos
meios fluidos (entre o alumínio da
panela e a água e entre o alumínio e o
ar).
Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br
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RADIAÇÃO
A radiação térmica é a energia emitida por toda a
matéria que se encontra a uma temperatura acima
de 0 K.
Não necessita de meio físico para ser transmitida
pois a energia emitida é transportada via ondas
eletromagnéticas. Portanto, transporta-se energia
calorífica pelo vácuo.
Qual a forma de calor do sol para a Terra ?
SOMENTE radiação por que ela é a única que se
propaga no vácuo.
OPERAÇÃO COM
TROCADORES
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•
•
•
TESTE HIDROSTÁTICO
O teste hidrostático têm por objetivo verificar a existência de vazamentos em
qualquer ponto do trocador, notadamente nos espelhos do feixe tubular e
tampas. além de localizar algum tubo furado.
O trocador é cheio com água limpa à temperatura ambiente e pressurizado até a
pressão recomendada. Normalmente esta pressão é dada pela expressão:
Pressão(teste) = 1,5 Pressão(PMTA)
•
Em trocadores que trabalham com temperaturas elevadas, a pressão de teste é
corrigida em função da temperatura.
ACOMPANHAMENTO DE TESTE HIDROSTÁTICO
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ASPECTOS DE SEGURANÇA
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Torre de resfriamento
É um equipamento que usa os princípios da evaporação (torres
“molhadas”) e da irradiação (torres “secas”) para resfriar a água.
Torres molhadas
As torres “molhadas” são as mais amplamente usadas. Seu
funcionamento baseia-se no princípio que diz que entre massas
idênticas expostas ao ambiente, resfria-se em menor tempo aquela que
tiver a maior superfície de contato.
Por isso, um dos pontos mais importantes em uma torre de
resfriamento é a subdivisão da água circulante no maior
número possível de gotículas, a fim de que a superfície de
água exposta ao ar seja aumentada ao máximo.
Isso é conseguido, utilizando-se bicos especiais que
promovem a aspersão da água em forma de gotículas e
obstáculos à sua queda, de modo que se forme um filme ou
subdivisões maiores devidas aos respingos.
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O ar necessário para garantir a troca de calor pode vir
da convecção por diferenças de temperaturas e,
conseqüentemente, diferenças de densidade, ou por
movimentação mecânica, com o auxílio de ventiladores
ou exaustores
tipos de torres “molhadas”, a saber:
· Torre de ventilação natural: é composta basicamente
por uma tubulação provida de bicos pulverizadores e um
invólucro dotado de venezianas que orientam e auxiliam a
passagem do ar, além de reduzir a perda de água por
respingamento.
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Torre de tiragem natural: utiliza aspersão de água aliada
(ou não) a uma superfície de troca de calor e uma estrutura
geralmente hiperbólica que facilita a saída do ar. O ar
quente tem a densidade diminuída e tende a subir, criando
uma zona de baixa pressão na parte inferior da torre, que
induz à entrada de nova massa de ar frio.
partes principais da torre de tiragem natural
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Torre de tiragem mecânica: é o tipo de torre mais usado
nos diversos processos industriais existentes. Nela, a
vazão do ar é aumentada com o auxílio de um ventilador.
Quando o ventilador é instalado na entrada de ar da torre,
esta se denomina “torre de tiragem forçada”.
TORRE DE RESFRIAMENTO
Quando o ventilador é instalado na saída do ar, a torre é chamada de “torre de tiragem induzida”.
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ASPECTOS DE SEGURANÇA
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