Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Modelagem de equipamentos térmicos Trocadores de calor Introdução
Trocadores de calor Equipamentos que realizam a troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e separados através de uma parede sólida. Os fluidos podem ser ambos fluidos de processo ou apenas um deles, neste caso: Vapor d água aquecimento Água ou ar resfriamento
Seleção vs. Simulação Selecionar, projetar ou especificar um trocador de calor Atender uma dada exigência decisão do tipo de TC e seus detalhes. Devem ser conhecidas as vazões e as temperaturas de entrada e de saída de ambos fluidos. O projetista deve selecionar a combinação de diâmetros, comprimento e número de tubos, número de passes, espaçamentos, aletas, etc. Análise de um equipamento já existente, com dados conhecidos de área, coeficiente global de TC, etc. Consiste em avaliar as condições de saída (temperaturas dos fluidos) para várias condições de entrada (temperaturas e vazões).
Aplicações - processos Recuperação e rejeitação de calor: Aquecimento e resfriamento (monofásico) Evaporação e condensação (com mudança de fase) Esterilização, pasteurização, fracionamento, destilação, cristalização; Combustão ou processos com reação química; Dispositivos mecânicos podem ser usados: trocador de superfície raspada (scraped), vasos agitados e reatores. Aproveitamento de energia q q q q
Aplicações
Denominações Resfriador: resfriamento de um fluido com água ou ar; Refrigerador: resfriamento de um fluido de processo utilizando a expansão de um fluido refrigerante; Aquecedor: aquecimento de um fluido utilizando, em geral, vapor d água; Condensador: transferência de calor de um vapor até a sua condensação parcial ou total; Evaporador: transferência de calor para um líquido até sua vaporização parcial ou total; Refervedor: vaporizador que trabalha conectado ao fundo de uma torre de fracionamento; Gerador de vapor: vaporização e superaquecimento do vapor d água. Pode ocorrer aproveitando o calor de um fluido de processo.
Seleção de trocadores de calor Fatores a serem considerados: Exigências térmicas e hidráulicas Máxima pressão e faixa de temperatura Compatibilidade com fluidos e condições operacionais Manutenção Disponibilidade Fatores econômicos
Classificação I. Quanto ao processo de transferência de calor T M = matrix
II. Quanto ao contato entre as correntes Regeneradores Recuperadores
III. Quanto ao número de correntes IV. Quanto à razão área de troca/volume
V. Quanto à construção
VI. Quanto à disposição das correntes
VII. Quanto ao mecanismo de transferência de calor
Trocador de calor duplo tubo
Escoamento: Paralelo Escoamento: Contracorrente Duplo tubo com tubo helicoidal
Trocador de calor duplo tubo Arranjo paralelo Arranjo contracorrente
Trocador de calor casco e tubo:
Trocador de calor casco e tubos Feixe de tubos Aplicado a resfriamento de óleos, condensadores, préaquecedores de plantas de potência, geradores de vapor em plantas nucleares, em processos e aplicações da indústria química
Trocadores casco e tubos
Intensificação da transferência de calor Tubos aletados externamente Tubos micro aletados (ranhurados) internamente Tubos aletados, aletas, dissipadores, dispositivos internos para os tubos
TROCADOR DE CALOR TUBO-ALETA
Trocadores compactos aletados tubulares
Trocadores de calor placa (com micro canais) e aletas compactos
Trocadores para ar condicionado automotivo
Trocador de calor compacto de placas Brasado
Trocadores a placas como condensador e evaporador de um sistema de refrigeração
Trocador de calor em espiral Aplicado a: líquidos viscosos, líquidos com sólidos em suspensão, incluindo pastas Elevada transferência de calor e redução de depósitos