Capítulo 4 TROCADORES DE CALOR: INTRODUÇÃO 08/2010
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- Davi Canto Sabala
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1 Capítulo 4 TROCADORES DE CALOR: INTRODUÇÃO 08/2010 1
2 Capítulo Conceito 4.2. Classificação 4.3. Seleção 2
3 4.1. Conceito Trocadores de calor são equipamentos destinados a promover a transferência de calor entre correntes, sendo responsáveis pela alteração de temperatura e/ou estado físico de correntes materiais. 3
4 4.1. Conceito Observação: Trocadores de calor = Heat Exchangers Observação: Trocadores de calor são também chamados de permutadores ou intercambiadores de calor 4
5 4.1. Conceito De uma forma mais geral, a transferência de energia nos trocadores de calor pode ocorrer envolvendo: - Fluidos - Sólido / Fluido - Sistema particulado / Fluido 5
6 4.1. Conceito Observação: Há trocadores de calor onde há a liberação de energia térmica em seu interior. Exemplos: - Aquecedores elétricos - Caldeiras - Fornos 6
7 4.2. Classificação Em função da diversidade de serviços que executam, os trocadores de calor são construídos em uma grande variedade de alternativas. 7
8 4.2. Classificação Neste sentido, torna-se interessante introduzir alguns critérios de classificação: 1 - Utilização 2 - Processo de transferência 3 - Número de correntes 4 - Compactação da superfície 5 - Construção 6 - Configuração do escoamento 7 - Mecanismos de transferência de calor 8
9 Classificação: Utilização Trocador de calor Aquecedor Resfriador Condensador Vaporizador 9
10 Classificação: Utilização Trocador de calor: Em certas situações este termo é limitado aos equipamentos destinados à transferência de calor entre correntes de processo. 10
11 Classificação: Utilização Resfriador: Promove o resfriamento de uma corrente de processo através de uma utilidade (e.g. água de resfriamento, se a utilidade possui temperatura inferior aquela alcançada via água de resfriamento ou ar, utiliza-se o termo chiller). Aquecedor: Promove o aquecimento de uma corrente de processo através de uma utilidade (e.g. vapor saturado). 11
12 Classificação: Utilização Condensador: Equipamento destinado a promover a mudança de fase (total ou parcial) de uma corrente de vapor para líquido. Vaporizador: Equipamento destinado a promover a mudança de fase (total ou parcial) de uma corrente de líquido para vapor (aplicado a uma coluna de destilação: refervedor). 12
13 Classificação: Processo de transferência Contato indireto Contato direto 13
14 Classificação: Processo de transferência Contato indireto: A transferência de calor ocorre sem que as correntes entre em contato físico. Exemplos: Trocadores tubulares, trocadores de placas, etc. Contato direto: A transferência de calor ocorre com contato físico entre as correntes. Exemplos: Torres de resfriamento, trocadores de calor tipo quench (DCC), etc. 14
15 Classificação: Processo de transferência Trocadores de calor de contato indireto: Recuperadores: As correntes materiais são separadas por uma barreira física. Regeneradores: A transferência de calor ocorre através da passagem alternada de cada corrente sobre uma matriz sólida. Trocadores com leito fluidizado: A transferência de calor ocorre por intermédio de uma massa de material particulado fluidizada. 15
16 Classificação: Processo de transferência Recuperadores: 16
17 Classificação: Processo de transferência Recuperadores: Fonte: 17
18 Classificação: Processo de transferência Recuperadores: Observações: - Os recuperadores representam a maioria dos trocadores de calor existentes. 18
19 Classificação: Processo de transferência Regeneradores: Regenerador com matriz fixa 19
20 Classificação: Processo de transferência Regeneradores: Fonte: 20
21 Classificação: Processo de transferência Regeneradores: Regenerador rotativo 21
22 Classificação: Processo de transferência Regeneradores: Fonte: 22
23 Classificação: Processo de transferência Regeneradores: Observações: - Os regeneradores possibilitam uma construção mais compacta que os recuperadores. 23
24 Classificação: Processo de transferência Trocadores de calor com leito fluidizado: Leito fluidizado 24
25 Classificação: Processo de transferência Trocadores de calor com leito fluidizado: Fonte: 25
26 Classificação: Processo de transferência Trocadores de calor com leito fluidizado: Observações: Nos trocadores de calor de leito fluidizado, devido à presença dos sólidos particulados, é possível alcançar valores mais elevados para os coeficientes de transferência. Este tipo de sistema é muito utilizado em serviços envolvendo reações químicas. 26
27 Classificação: Processo de transferência Trocadores de calor de contato direto: Líquidos imiscíveis (e.g. condensação de orgânicos) Gás Líquido (e.g. torres de resfriamento) Vapor Líquido (e.g. dessuperaquecedores) 27
28 Classificação: Processo de transferência Trocadores de calor de contato direto: Torre de Resfriamento Fonte: 28
29 Classificação: Número de correntes Duas correntes (maioria das aplicações) Mais de duas correntes (e.g. fracionamento criogênico do ar) 29
30 Classificação: Compactação Compactos (Gas: > 700 m 2 /m 3, Liq: > 400 m 2 /m 3 ) (e.g. radiador de um automóvel) Não compactos (e.g. trocadores de calor casco-e-tubos) 30
31 Classificação: Compactação Observações: Os trocadores compactos apresentam as seguintes vantagens: - Redução do espaço físico (2-D e 3-D) - Redução de peso (material, fundações) - Apresentam maiores valores de U Entretanto, estes trocadores não podem ser utilizados em serviços onde ocorre deposição e apresentam certas restrições mecânicas (P e T). 31
32 Classificação: Construção Tubular Placas Superfície estendida Regeneradores 32
33 Classificação: Construção Trocadores tubulares: Neste tipo de trocador, a superfície de transferência de calor possui forma tubular. Trocadores bitubulares Trocadores casco-e-tubo Trocadores com tubos em espiral 33
34 Classificação: Construção Trocadores bitubulares (double pipe): Entrada de fluido Região anular Entrada de fluido Tubo interno Saída de fluido Tubo interno Saída de fluido Região anular 34
35 Classificação: Construção Trocadores bitubulares (double pipe): Fonte: 35
36 Classificação: Construção Trocadores bitubulares (double pipe): Fonte: 36
37 Classificação: Construção Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube): Fonte: Perry s Chemical Engineers Handbook 37
38 Classificação: Construção Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube): 38
39 Classificação: Construção Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube): Fonte: 39
40 Classificação: Construção Trocadores casco-e-tubo (shell-and-tube): Fonte: 0Exchanger_product.jpg 40
41 Classificação: Construção Trocadores de placas: Neste tipo de trocador, a superfície de transferência de calor é formada por placas paralelas. Trocadores de quadro e placas Trocadores de placas soldadas Trocadores de placas em espiral Trocadores lamelares etc. 41
42 Classificação: Construção Trocadores de quadro e placas (plate-and frame ou gasketed-and-plate): Fonte: 42
43 Classificação: Construção Trocadores de quadro e placas (plate-and frame ou gasketed-and-plate): Fonte: 43
44 Classificação: Construção Trocadores de placas em espiral: Fonte: 44
45 Classificação: Construção Trocadores com superfície estendida: Neste tipo de trocador, a superfície de transferência de calor é aumentada através da presença de aletas. Trocadores com placas aletadas Trocadores com tubos aletados 45
46 Classificação: Construção Trocadores de placas aletadas: Fonte: 46
47 Classificação: Construção Trocadores de placas aletadas: Fonte: 47
48 Classificação: Construção Trocadores de placas aletadas: Air cooler Fonte: 48
49 Classificação: Construção Trocadores de tubos aletados: Fonte:
50 Classificação: Construção Trocadores de tubos aletados: Fonte: 50
51 Classificação: Construção Trocadores de tubos aletados: Fonte: 51
52 Classificação: Construção Trocadores de tubos aletados: Air cooler Fonte: 52
53 Classificação: Construção Trocadores de tubos aletados: Fonte: 53
54 Classificação: Construção Regeneradores: Neste tipo de trocador, a transferência de calor entre as duas correntes se dá através de uma matriz sólida que entra em contato com uma corrente de cada vez de forma periódica. 54
55 Classificação: Construção Regeneradores: 55
56 Classificação:Configuração do escoamento Contracorrente Cocorrente Cruzado Múltiplos passes Outros 56
57 Classificação:Configuração do escoamento Escoamento contracorrente: As correntes escoam em sentido contrário ao longo do equipamento. 57
58 Classificação:Configuração do escoamento Escoamento paralelo ou cocorrente: As correntes escoam no mesmo sentido ao longo do equipamento. 58
59 Classificação:Configuração do escoamento Escoamento cruzado: As correntes escoam em direções perpendiculares ao longo do equipamento. 59
60 Classificação:Configuração do escoamento Escoamento com múltiplos passes: Uma das correntes, pelo menos, apresenta mais de um passe ao longo do escoamento 60
61 Classificação:Mecanismo de transferência Trocadores sem mudança de fase Trocadores com mudança de fase Trocadores com convecção e radiação 61
62 Classificação:Mecanismo de transferência Trocadores sem mudança de fase: - Gás-Gás - Gás-Líquido - Líquido-Líquido 62
63 Classificação:Mecanismo de transferência Trocadores com mudança de fase: - Condensação de um vapor através de um líquido, gás ou fluido em vaporização - Vaporização de um líquido através de um líquido, gás ou fluido em condensação 63
64 Classificação:Mecanismo de transferência Trocadores com convecção e radiação: - Fornos, caldeiras, etc. 64
65 4.3. Seleção A partir das características do serviço térmico a ser executado (carga térmica, vazão, temperatura, pressão e composição das correntes) pode-se selecionar o tipo de trocador mais adequado. 65
66 4.3. Seleção Apesar do custo ser um aspecto importante na seleção, deve-se levar em conta com cuidado questões associadas à confiabilidade e manutenção do equipamento. Um aspecto importante que deve ser considerado na seleção é a análise da experiência operacional em relação a serviços semelhantes. 66
67 4.3. Seleção Visão geral: Trocadores casco-e-tubo: É o tipo de trocador mais utilizado na indústria de processos químicos devido à sua versatilidade, robustez e confiabilidade. 67
68 4.3. Seleção Visão geral: Trocadores bitubulares: Adequados para serviços de menor magnitude (até 50 m 2 a 100 m 2 ). 68
69 4.3. Seleção Visão geral: Trocadores de placas: Em geral, são uma alternativa mais barata aos trocadores casco-e-tubo, entretanto possuem maiores restrições em relação à T e P de projeto, devido às limitações das gaxetas. Usualmente, não são utilizados para correntes gasosas. 69
70 4.3. Seleção Visão geral: Resfriadores a ar (air coolers): Podem ser utilizados em substituição a um resfriador casco-e-tubos, eliminando a necessidade de água de resfriamento. 70
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