Classificação e Tipos de Trocadores de Calor

TROCADORES DE CALOR Definição Equipamentos usados para implementar a troca de calor entre fluidos sujeitos a diferentes temperaturas Classificação Podem ser classificados de diversas maneiras I Quanto ao modo de troca de calor II Quanto ao número de fluidos III Tipo de construção Classificação de Trocadores de Calor DE ACORDO A PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ACORDO A TIPO DE CONSTRUÇÃO Classificação de acordo a processos de transferência Trocadores de calor de contato direto Trocadores de calor de contato direto Torres de resfriamento Trocadores de calor de contato indireto Tipo de trocadores de transferência direta Trocador tubo duplo O trocador tubo duplo consiste de 2 tubos concêntricos Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos Este é o trocador de calor mais simples É usado em aplicações de pequenas capacidades Trocador de calor em serpentina Este trocador consiste em uma ou mais serpentinas de tubos circulares ordenados em uma carcaça Uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço usando as serpentinas Há problemas com a limpeza Trocadores Tubulares Trocador de calor carcaça e tubo ou casco e tubo É construído de tubos e uma carcaça Um dos fluidos passa por dentro dos tubos e o outro pelo espaço entre os tubos e a carcaça Os feixes de tubos são presos em discos conhecido como espelho é envolto em um corpo cilíndrico chamado de casco Dentro do casco uso de chicanas placas que forçam o fluido a mudar de direção aumenta a turbulência troca térmica São os mais usados para quaisquer capacidade e condições operacionais Trocador de calor carcaça e tubo ou casco e tubo Trocador casca e tubos com um passe no casco e um passe no tubo correntes cruzadascontrárias com um passe no casco e dois passes nos tubos com dois passes no casco e quatro passes nos tubos Epelhos fixos ao casco ou podem deslizar junto a um cabeçote flutuante pode ser removido do casco para limpeza e manutenção Feixe de tubos em U tem apenas um espelho tubos fazem uma curva de 180º na extremidade oposta tubos podem ter ranhuras para aumentar turbulência Trocador tipo placa Normalmente é construído com placas planas lisas ou com alguma forma de ondulações Geralmente não pode suportar pressões muito elevadas comparado ao trocador tubular São trocadores tipo compactos A razão entre a área de superfície de transferência de calor e o volume do trocador é maior que 700 m2m3 Trocadores de Placas FIGURE 118 Plate patterns a washboard b zigzag c chevron or herringbone d protrusions and depressions e washboard with secondary corrugations f oblique washboard Shah and Focke 1988 Trocadores de calor de correntes paralelas Trocadores de calor de escoamento em multipasse Os problemas de projeto análise e ou desenvolvimento de um trocador de calor A solução de um problema é facilitada pela adoção do método mais adequado a ele O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação das suas dimensões área superficial necessária para se atingir a temperatura de saída desejada A adoção do método da MLDT é facilitada pelo conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quentes e frios pois então MLDT pode ser calculada sem dificuldade Outro problema se conhece o tipo e as dimensões do trocador e se quer determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída quando forem dadas as vazões dos fluidos e as temperaturas na entrada Embora o método da MLDT possa ser usado neste cálculo de desempenho do trocador de calor o procedimento seria tedioso e exigiria iteração Isto poderia ser evitado com a aplicação do método do NUT Método da MLDT Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de saída o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor Método do NUT O método da efetividade NUT devese determinar inicialmente a taxa máxima possível de transferência de calor no trocador A efetividade é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor no trocador de calor e a taxa máxima possível de transferência de calor Balanço térmico no trocador calor sensível Balanço térmico no trocador calor latente Caso haja mudança de estado físico condensação vaporização o corpo ou fluxo de massa absorverá ou cederá calor mas sua temperatura não se altera A quantidade de calor necessária para alterar o estado físico de um corpo é Q m L Q m L Onde L calor latente de mudança de estado Jkg Coeficiente global de transferência de calor Lembramos que o fluxo de calor total pode ser expresso por q ΔT RT Onde RT 1 Ai hi ln r2 r1 2 k π L 1 Ae he No caso do trocador as paredes dos tubos são finas Assim sua resistência térmica pode ser desprezada e Ai Ae Com isso temos q ΔT 1 Ae hi 1 Ae he q Ae ΔT 1 hi 1 he Chamamos U o coeficiente global de troca de calor U 1 1 hi 1 he ou 1 U 1 h1 1 h2 Wm2K Então q U A Tb1 Tb2 Coeficiente global de troca de calor Alguns valores típicos Tipo de trocador de calor Águaágua 8501700 Águaóleo 100350 Águagasolina ou querosene 3001000 Aquecedores de água de alimentação 10008500 Vaporóleo combustível leve 200400 Vaporóleo combustível pesado 50200 Condensador de vapor 10006000 Condensador de freon resfriado a água 3001000 Condensador de amônia resfriado a água 8001400 Condensadores de álcool resfriado a água 250700 Gásgás 1040 Águaar em tubos aletados água nos tubos 3060 Vaporar em tubos aletados vapor tubos 400850 30300 Fator de fuligem fouling factor Com o tempo é comum haver depósitos de sedimentos formação de algas etc nas paredes do trocador que podem ter um impacto importante na sua eficiência Adotase portanto um Fator de Fuligem F não confundir com o fator de correção da MLDT a ser acrescentado na resistência ao fluxo de calor Fator de fuligem Quando considerado a resistência térmica total será U 1 1hi 1he F Exemplo suponha hi 2000 Wm²K e he 1000 Wm²K e calcule U sem e com fuligem de água acima de 50C Usem 112000 1000 667 Wm²K Usem 112000 1000 0002 333 Wm²K Fluidos m²KW Água destilada águamarinha águas fluviais água de alimentação de caldeiras Abaixo de 50 C 00001 Acima de 50 C 00002 Óleo combustível 00009 Vapor livre de óleo 00001 Refrigerantes líquido 00002 Refrigerantes vapor 00001 Vapores de álcool 00004 Fator de fuligem Fluxo de calor no trocador Distribuição da temperatura nos trocadores de calor Média logarítmica das diferenças de temperatura Troca com mudança de estado Correção da MLDT Correção da MLDT Com os valores de P no eixo x e R curva entramos no gráfico respectivo para obter F no eixo y Um passe no casco e números pares de passes nos tubos Dois passes no casco e números pares de passes nos tubos Correção da MLDT Passe único fluido no casco misturado Passe único fluido no casco não misturado Correção do MLDT Com o fator F corrigimos a MLDT fazendo MLDTcorrigida F MLDT Exemplo As temperaturas de um trocador são as informadas abaixo Calcule a MLDT e a MLDTcorrigida T1 10C T2 362C t1 656C t2 394C Resolução MLDT corrigida R T1 T2 t2 t1 R 10 362 394 656 R 10 P t2 t1 T1 t1 P 394 656 10 656 P 047 F 085 MLDTcorrigida F MLDT 085 184 MLDTcorrigida 156C T1 10C T2 362C t1 656C t2 394C