Trocador de calor: como escolher o mais adequado para cada situação?

Trocador de calor, também chamado de aquecedor ou resfriador, o trocador de calor é um equipamento que permite transferir a energia térmica de um fluido a outro, sem haver contato direto entre eles.

Tendo diversas aplicações, podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e em processos químicos.

Nas indústrias do petróleo, química e petroquímica, o emprego de trocadores de calor é de grande importância.

 

Quer saber como ele funciona?

Eles são projetados para efetuar a troca de calor entre duas correntes fluidas, entre as quais exista um diferencial de temperaturas.

Sua utilização permite o aquecimento de um fluido (fluido frio) para atender a condições de processo através do resfriamento de outro fluido (fluido quente) existente no mesmo processo.

Resumidamente são duas as vantagens obtidas com o emprego do trocador de calor:

  1. Aumento da temperatura do fluido frio sem a necessidade da queima de combustível;
  2. Evitar que a energia contida em um fluido já processado seja desperdiçada para o meio ambiente.
Quer utilizar um trocador de calor e não sabe qual escolher?

A seleção de um trocador de calor deve levar em consideração alguns critérios:

  • Estado dos fluidos presentes: Líquido/líquido, líquido/vapor, gás/gás, etc;
  • Sua natureza: Fluido limpo, incrustante, viscoso, corrosivo, etc;
  • Temperaturas: Pinch point, diferença de temperatura, cruzamento das temperaturas, coeficiente de troca térmica, etc;
  • Pressões: Pressão máxima em serviço e de cálculo, perda de carga admissível, etc;
  • Normas de construção: Requisitos FDA, DIN, ASME, JIS, trocador para a indústria farmacêutica, etc;
  • Grau de manutenção: Ex.: Frequência de limpeza.

O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais:

  • Análise Térmica – Determinação da área necessária à transferência de calor para dadas condições de temperaturas e escoamentos dos fluidos.
  • Projeto Mecânico Preliminar – Considerações sobre as temperaturas e pressões de operação, as características de corrosão dos fluidos, as expansões térmicas relativas e tensões térmicas e, a relação de troca de calor.
  • Projeto de Fabricação – Características físicas e dimensões em uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo e os procedimentos na fabricação devem ser especificados.
Classificação quanto à forma construtiva:

Trocadores casco tubo: São formados basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um casco normalmente cilíndrico, circulando um dos fluidos pelo feixe e outro pelo interior dos tubos.

Esses tipos de trocadores são representados pelo cabeçote de entrada, casco, feixe de tubos e cabeçote de retorno ou saída. É o tipo mais comum, compreendendo diversos subtipos e configurações;

Caracterização:

TUBOS: Componente básico do trocador, promovendo a área de troca entre as duas correntes de fluido. Os tubos podem ser lisos ou possuir aletas de baixo perfil.

Os tubos são mantidos no lugar pelas placas tubulares (uma em cada extremidade do trocador – exceto para arranjos de tubos em U, onde há somente uma placa tubular).

PLACA TUBULAR: Placa circular de metal perfurado na qual os tubos são fixados (por solda, interferência, dilatação térmica…).

As placas tubulares podem ser soldadas ou fixadas por meio de parafusos ao casco do trocador de calor.

CASCO: Elemento metálico de formato cilíndrico que envolve o feixe tubular. Fabricado a partir do corte de um tubo existente (D < 0.6 m), ou da calandragem de uma chapa metálica.

BOCAIS (INJETORES e EJETORES): No lado do casco, são geralmente fabricados a partir de seções de tubo soldadas ao casco, podendo estar acompanhados de placas de proteção de tubos.

CHICANAS: O arranjo de chicanas no lado do casco do trocador serve a dois propósitos:

(i) Dar suporte aos tubos contra flexão e vibração;

(ii) Guiar o fluido do lado do casco através do feixe de tubos de uma forma o mais próximo possível de um escoamento cruzado ideal.

VANTAGENS:
  1. São robustos e de construção relativamente simples;
  2. São de limpeza e manutenção relativamente simples;
  3. Métodos de projeto existentes já foram bem testados;
  4. Flexibilidade na construção permite que praticamente qualquer processo possa ser executado num trocador casco tubo (pressões e temperaturas baixas ou altas, altas diferenças de temperatura, mudança de fase, fluidos corrosivos…).
DESVANTAGENS:
  1. Os itens 3 e 4 acima são responsáveis pela maior desvantagem dos trocadores casco tubo.
  2. Para grande parte das situações, outros tipos de trocador de calor executariam o processo de uma forma mais eficiente do que esse tipo.
  • Trocadores de calor tipo ‘duplo-tubo’ ou bitubulares: Consiste na montagem de dois tubos concêntricos. Um fluido passa pelo tubo interno e o outro pelo anel formado entre os dois tubos.

Caraterização:

  1. Consiste de um tubo montado internamente e concêntrico a um tubo de maior diâmetro. Acoplamentos hidráulicos servem para guiar os fluidos para o interior do trocador.
  2. O tubo interno geralmente possui aletas longitudinais soldadas internamente ou externamente para aumentar a área de troca térmica.
  3. Usado para transferência de calor sensível em situações onde áreas de troca pequenas são necessárias. Condensação e ebulição em pequenas quantidades também podem ser acomodadas.
VANTAGENS:
  1. Maior Flexibilidade na aplicação, podendo ser conectados em diversos arranjos em série e/ou paralelo a fim de acomodar limitações de perda de carga e de temperatura;
  2. Apresentam flexibilidade na montagem, podendo ser facilmente construídos e facilidade de aumento/redução da área de troca de acordo com variações no processo;
  3. São de fácil manutenção e limpeza;
DESVANTAGENS:
  1. A principal desvantagem deste tipo de trocador é o seu elevado custo por unidade de área de troca.

Quando mal dimensionados, os trocadores de calor podem causar prejuízos, por isso a importância de profissionais capacitados para auxiliar na escolha do tipo e no dimensionamento do equipamento.

 

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Escrito por Carina

 

 

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