04/05/2012 TROCADORES DE CALOR

Transcrição

1 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. 1

2 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. 2

3 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 3

4 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 4

5 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 5

6 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 6

7 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 7

8 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 8

9 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 9

10 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. 10

11 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. 11

12 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 12

13 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 13

14 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. 14

15 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 15

16 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) 16

17 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) 17

18 CONDUÇÃO Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas. Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar. Característico dos sólidos. Fonte: 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: 18

19 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 19

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22 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 22

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24 ASPECTOS DE SEGURANÇA 24

25 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. 25

26 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. 26

27 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 27

28 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. 28

29 ASPECTOS DE SEGURANÇA 29