Trocadores de calor, essencial na indústria

Luis Cyrino
13 mar 2022
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Trocadores de calor, essencial na indústria

Trocadores de calor são equipamentos essenciais quando é necessária uma transferência de calor de um meio para outro. Esses meios podem ser um gás, líquido ou uma combinação de ambos.

Os trocadores de calor podem melhorar a eficiência energética de um sistema transferindo calor de sistemas onde não é necessário para outros sistemas onde pode ser usado de forma útil.

Portanto, trocadores de calor, independentemente do modelo/tipo do mesmo, é um equipamento que transfere calor de um fluido quente para um fluido frio.

Em muitas aplicações de engenharia é necessária essa transferência de calor, ou seja, um tipo de fluído “rouba” temperatura do outro.

Esta dupla ação realizada por um trocador de calor se faz necessário em processos onde um fluído precisa se adequar a uma certa temperatura. Isso porque o processo ao qual esse fluído está inserido não pode ultrapassar uma temperatura específica.

Aplicação dos trocadores de calor

Um exemplo de uma aplicação do trocador de calor na indústria está em processos de injeção plástica, onde temos basicamente duas aplicações para esse processo.

Aplicações para resfriamento do óleo hidráulico e resfriamento no molde para formação do produto. Vela o exemplo a seguir como funciona esse resfriamento para o óleo hidráulico:

Resfriamento do óleo hidráulico:

Em certos processos de injeção plástica, o óleo hidráulico não deve ultrapassar a certa temperatura (60 graus). Para que isso não aconteça é usado um trocador de calor onde o óleo circula por uma câmara em contato com tubos onde circula água.

Portanto a água (chamada de água industrial) numa temperatura bem menor que o óleo, “rouba” esse calor do óleo e transfere por meio de tubulações para o sistema de arrefecimento dessa água (Torres de resfriamento).

Esse processo faz com que essa água volte a sua temperatura de trabalho e retorne ao trocador de calor e assim sucessivamente.

Aplicações específicas para trocadores de calor incluem:

  • Aquecimento de um fluido mais frio usando o calor de um fluido mais quente;
  • Resfriar um fluido quente transferindo seu calor para um fluido mais frio;
  • Condensação de um fluido gasoso por meio de um fluido mais frio.

Funcionamento básico um trocador de calor

Os fluidos dentro dos trocadores de calor normalmente fluem rapidamente, para facilitar a transferência de calor por meio de convecção forçada. Este fluxo rápido resulta em perdas de pressão nos fluidos. A eficiência dos trocadores de calor refere-se a quão bem eles transferem calor em relação à perda de pressão em que incorrem.

A tecnologia moderna de trocador de calor minimiza as perdas de pressão enquanto maximiza a transferência de calor e atende a outros objetivos do projeto. Tais como suportar altas pressões de fluido, resistir a incrustações e corrosão e permitir limpeza e reparos.

Em geral, um trocador de calor funciona permitindo que um fluido quente flua através do trocador passando por um fluido frio sem misturar os dois.

O calor flui do fluido quente para o fluido frio, aquecendo o fluido frio e resfriando o fluido quente. Isso permite que o calor seja transportado e receba um tratamento adequado ao invés de simplesmente ser descartado.

Os dois fluidos passarão um pelo outro, com um geralmente em um tubo estreito, enquanto o outro flui para fora do tubo em uma área circundante.

A transferência de calor em um trocador de calor geralmente envolve convecção em cada fluido e condução térmica através da parede que separa os dois fluidos.

Na análise de trocadores de calor, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente global de transferência de calor, conhecido como fator U. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei de resfriamento de Newton.

Tipo dos trocadores de calor

Esses equipamentos recebem nomes diferentes quando servem a um propósito especifico. Portanto equipamentos como as caldeiras, evaporadores, aquecedores, condensadores e resfriadores podem ser considerados trocadores de calor.

Os trocadores de calor são geralmente classificados baseados em algumas premissas, descritas a seguir:

  • A natureza do processo de troca de calor: de que forma acontece essa alteração de temperatura e qual processo (fluído) de troca de calor é mais adequado para corrigir essa temperatura.
  • O estado físico dos fluidos: a necessidade de uma troca de calor está baseada em qual tipo de fluído que precisa ser resfriado ou aquecido?
  • O arranjo de fluxo do trocador de calor: Como esse fluído vai ser tratado no trocador de calor? Na necessidade de resfriamento de óleo por exemplo, o lado de entrada vai ser a mesma da água que vai resfria-lo, ou serão opostos?
  • O projeto e a construção do trocador de calor: aqui precisa ser entendido qual o fluído a ser resfriado, o tipo de fluído que vai ser o agente refrigerante e o quanto será necessário resfriar? Dentre outras informações importantes para se chegar ao modelo/tipo mais adequado para o processo em questão.

Arranjo físico/tipo dos trocadores de calor

Os trocadores de calor são fabricados com vários arranjos de fluxo e em diferentes modelos construtivos. São normalmente classificados de acordo com o arranjo do fluxo e o tipo de construção.

Trocadores de calor de fluxo e contra fluxo paralelo

O trocador de calor mais simples é aquele para o qual os fluidos quente e frio se movem na mesma direção ou em direções opostas.

Ou seja, no arranjo de fluxo paralelo, os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade, fluem na mesma direção e saem na mesma extremidade. Já no arranjo de contra fluxo, os fluidos entram em extremidades opostas, fluem em direção opostas e saem em extremidades opostas.

Este trocador de calor consiste em dois tubos concêntricos de diâmetros diferentes. Nesse tipo de arranjo, um tubo é colocado dentro de outro.

O fluido frio flui através do tubo interno e o fluido quente na mesma direção, ou não, através do espaço entre o tubo externo e interno.

O calor é transferido do fluido quente através da parede do tubo interno (a chamada superfície de aquecimento) para o fluido frio.

Trocadores de calor tipo casco e tubo

Esse tipo de trocador de calor utiliza um feixe de tubos através dos quais um dos fluidos flui. Esses tubos são fechados em um invólucro com provisões para que o outro fluido flua através dos espaços entre os tubos.

Na maioria dos projetos desse tipo, o fluido livre flui aproximadamente perpendicularmente aos tubos que contêm o outro fluido, no que é conhecido como troca de fluxo cruzado.

Os trocadores de calor casco e tubo são provavelmente a configuração de trocador de calor mais difundida e comumente usada na indústria. São normalmente usados para aplicações de alta pressão (pressões superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260°C). Isso ocorre porque os trocadores de calor casco e tubo podem suportar altas pressões devido ao seu formato.

Neste tipo de trocador de calor, vários tubos de pequeno diâmetro são encaixados entre duas placas de tubo e o fluido primário flui através desses tubos. O feixe tubular é colocado dentro de uma casca e o fluido secundário flui através da casca e sobre a superfície dos tubos.

Trocadores de calor de placas

Um trocador de calor de placas é um tipo de trocador de calor que usa placas de metal para transferir calor entre dois fluidos. Este arranjo é popular com trocadores de calor que usam ar ou gás, bem como fluxo de fluido de menor velocidade.

O exemplo clássico de um trocador de calor de placas é encontrado nos equipamentos Chillers que fazem o resfriamento de água onde existem processos que precisam trabalhar com água a temperaturas em torno de 10°C.

Quando comparado aos trocadores de casco e tubo, o arranjo de placas empilhadas normalmente tem menor volume e custo.

Outra diferença entre os dois é que os trocadores de placas normalmente servem fluidos de baixa a média pressão, em comparação com pressões médias e altas de casco e tubo.

Manutenção dos trocadores de calor

Os trocadores de calor são essenciais em muitos sistemas críticos onde a sua função é primordial para a continuidade de muitos processos de produção. De usinas de energia a fábricas de produtos industriais de diversos segmentos, o trocador de calor é vital.

Portanto, todas as empresas que fazem uso desse equipamento devem levar a sério a manutenção do mesmo. Isso porque uma falha no trocador de calor pode ser um evento potencialmente catastrófico para a continuidade de um processo produtivo.

A limpeza adequada é essencial para garantir que o trocador de calor esteja funcionando corretamente e com eficiência. E como na maioria das aplicações temos a água envolvida, seu tratamento adequado é essencial.

Isso porque são equipamentos que tem muita facilidade de entupimento devido as incrustações em tubulações internas. Inspeções e manutenções preventivas periódicas são estratégias que não podem faltar para esses equipamentos.

 

 

Fonte:

https://www.thermal-engineering.org/what-is-heat-exchanger-definition/

https://www.britannica.com/technology/heat-exchanger

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