De maneira mais detalhada, os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com: a) Os processos de transferência;
b) O número de fluidos;
c) O grau de compacidade superficial; d) Os aspectos de construção;
e) Os arranjos de construção;
f) Os mecanismos de transferência de calor;
2.1 Classificação quanto aos processos de transferência
2.1.1 Trocadores de calor de contato indireto
Neste tipo de trocador as correntes do fluido permanecem separadas e o calor é transferido continuamente através de uma parede impermeável, de maneira transitória.
Podem ser classificados em:
a) Trocador de calor de transferência direta → há um escoamento contínuo de calor através da parede que separa os dois fluidos. Neste dispositivo não há partes móveis e ele é freqüentemente denominado de recuperador. Exemplos: tubular placa plana e com superfícies estendidas.
b) Trocadores de armazenamento → aqui ambos os fluidos usam a mesma passagem e o calor flui intermitentemente. A superfície de transferência de calor é geralmente a estrutura celular e é chamada de matriz. O calor não é transferido continuamente através de uma parede, mas é alternadamente armazenado e rejeitado pela parede matriz. É também chamado de recuperador. c) Trocadores de leito fluidizado → neste dispositivo, um dos lados do trocador de dois fluidos é
imerso em um leito de material sólido finamente fragmentado, que pode ser um leito de areia ou de partículas de carvão. Se a velocidade do fluido ao passar no leito é pequena, as partículas sólidas permanecem no seu lugar. Caso contrário, as mesmas serão carregadas pelo fluido. Elas
sólidas nas paredes do canal de escoamento, e de um valor máximo, para minimizar problemas de corrosão e erosão.
Vibração induzida pelo escoamento tornou-se um problema importante em trocadores tubo- carcaça por causa das velocidades muito altas do fluido no lado da carcaça. Este distúrbio pode ocorrer na forma de vibração acústica ou vibração dos tubos, induzindo fraturas nos mesmos.
Entre as considerações a serem tomadas no projeto de um trocador e já citadas anteriormente, duas etapas são importantes:
a) O projeto térmico, para assegurar que a unidade vai transferir a quantidade necessária de calor, dentro das especificações requeridas;
b) O projeto mecânico, para garantir que o trocador suporta a pressão e as cargas consideradas; O objetivo de um projeto térmico é determinar a área requerida para a troca térmica a um determinado fluxo de calor transferido entre os dois fluidos, com determinadas vazões e temperaturas. Devem levar em conta, critérios mecânicos e econômicos.
Na seleção ou no projeto de um trocador de calor, deve-se levar em consideração as opções disponíveis, as necessidades e as restrições da aplicação. Os principais fatores a serem analisados são:
a) A quantidade de calor a ser transferido; b) As temperaturas e pressões envolvidas; c) O peso do equipamento;
d) As quedas de pressão;
O objetivo da avaliação de um trocador é o de determinar o fluxo de transferência de calor e a distribuição de temperatura que podem ser produzidas para um sistema existente ou que esteja sendo proposto, sob dadas condições de operação de fluidos, vazões mássicas e temperaturas de entrada definidos.
A avaliação do desempenho fornece uma base para:
– fixar mudança nas condições de operação de um equipamento existente, de modo a resultar numa melhoria de operação;
– determinar quando uma unidade existente deve ser limpa, inspecionada, modificada ou trocada;
– selecionar um novo equipamento que execute uma nova tarefa; Sobre o tema, novas pesquisas têm-se detido principalmente em: – Incrustação;
– Superfícies estendidas; – Meios porosos;
– Vibração;
– Efeitos de gases não-condensáveis;
– Novos refrigerantes, a fim de se permitir o abandono dos clorofluorcarbonos (CFC);
– Instabilidades em escoamentos bifásicos, que podem causar fadiga térmica, levando à fadiga mecânica e a possíveis rompimentos dos tubos;
As formulações do projeto térmico são aplicáveis universalmente e não são fiscalizadas pelos governos. Aquelas referentes ao projeto mecânico são regidas por códigos e normas estabelecidos ou adaptados pelo governo.
usinas térmicas e nucleares, onde o calor é transferido por contato direto entre os fluidos quente e frio, não-miscíveis.
Há ainda alguns trocadores, tais como reatores nucleares e aquecedores elétricos, que incluem uma fonte interna de calor e um fluido de refrigeração para remover a energia térmica liberada dentro do sistema. Tais trocadores não serão analisados neste texto.
Outro tipo de trocador de calor, que cada vez se torna mais importante devido à miniaturização dos equipamentos e às aplicações aeroespaciais, é o trocador de calor compacto, que também é usado em aplicações onde o coeficiente de transferência de calor, h, em um dos lados, é muito menor que no outro. Esta situação normalmente é encontrada nas aplicações de gás para líquido e de gás para vapor condensado. Se aumentarmos a área efetiva do lado do trocador que apresenta o menor h, usando extensões de superfícies tais como aletas, é possível reduzir o peso e o tamanho total. Este tipo de equipamento apresenta uma grande variedade de superfícies disponíveis, flexibilidade de projeto e custos substanciais. Por isto, são preferencialmente usados em aplicações onde o fator espaço é o preponderante.
O projeto de um trocador de calor é um problema muito complexo, já que se encontram envolvidas muitas variáveis. A imposição de valores a estas variáveis vai depender da aplicação do trocador e da experiência do projetista. É costume se afirmar, que nesta área, apresentando-se o mesmo problema a vinte pesquisadores diferentes, deles voltem vinte soluções diferentes.
O referido projeto deve incluir: a) Análise térmica;
b) Análise estrutural;
c) Considerações de fabricação; d) Análise de custos;
e) Considerações de dimensões e de queda de pressão;
Técnicas para aumentar o coeficiente de transferência de calor incluem, além de aletas, aumento na velocidade do gás e turbulência induzida artificialmente. Qualquer uma delas produz também a queda de pressão, ocorrendo conseqüentemente, um aumento do custo de operação, pois aumento o trabalho de bombeamento.
Nas aplicações espaciais e na aviação, o tamanho do dispositivo é, normalmente o fator mais importante. Por outro lado, os projetos de usinas estacionárias grandes são otimizados puramente em termos financeiros. Tal estudo inclui custos iniciais, custos de operação, vida antecipada, manutenção e taxas de juros.
Um dos mais sérios problemas enfrentados no funcionamento de trocadores é o da incrustação, que é definida como a deposição de uma camada isolante de material sobre a superfície de transferência de calor. Na expressão do coeficiente global de transferência de calor, U, deve ser colocada a resistência externa produzida pela incrustação, e também a interna, devido ao mesmo motivo. Os valores da resistência térmica das camadas formadas sobre os componentes são normalmente chamadas de fatores de incrustação. Elas dependem do grau de pureza do fluido, do comprimento da parte que entra em operação e também, porém menos, das temperaturas de operação e velocidades de escoamento. A performance termoidráulica é reduzida através da diminuição de transmissão de calor e do aumento da queda de pressão. Em alguns casos, a incrustação pode ser acompanhada pela corrosão (destruição de um metal ou de uma liga através de reação eletroquímica), ou de erosão (gasto de uma superfície sólida pelo impacto de uma corrente líquida). A velocidade de um fluido num tubo, imposta com o auxílio de uma bomba, é limitada entre um valor mínimo para não haver deposição de partículas
Figura 1.1 Classificação dos trocadores de calor de acordo com o arranjo de escoamento.
Os aquecedores são usados principalmente para aquecer fluidos e vapor d’ água é usualmente empregado para este propósito, embora nas refinarias de petróleo o óleo aquecido que circula, serve para o mesmo objetivo. Os resfriadores são usados para resfriar o fluido de trabalho, sendo a água o principal meio refrigerante. Os condensadores são refrigeradores que servem para remover calor latente em vez de calor sensível. O objetivo dos refervedores é suprir as necessidades de calor em um processo de destilação. E os evaporadores são usados para concentrar uma solução, pela vaporização da água. Se além da água, ocorrer a vaporização de qualquer outro fluido, a unidade se chama vaporizador.
Regeneradores são trocadores de calor nos quais um fluido quente e outro frio passam alternadamente através de uma mesma superfície, que recebe inicialmente calor do fluido quente e que depois, cede calor ao fluido frio. Normalmente consistem de um fluxo através de uma passagem contendo pelotas de elevada capacidade térmica. Como exemplo, podem-se citar as torres de resfriamento e de destilação. Nestes trocadores, o processo de transferência de calor é transiente, isto é, as temperaturas da parede aquecedora e dos fluidos variam com o tempo.
Nos trocadores de calor de contato direto, o calor é transferido misturando-se parcial ou completamente os fluidos. Os fluidos quente e frio, que entram separadamente, deixam o trocador como uma única corrente misturada. Aplicações incluem o condensador a jato de vapor d’ água e de outros vapores, usando um spray de água. Estes tipos de trocadores incluem torres de refrigeração de
1. Introdução
Um trocador de calor é um equipamento no qual se efetua transferência de energia térmica interna entre dois ou mais fluidos a diferentes temperaturas. Na sua forma mais simples, dois fluidos, um quente e o outro frio, trocam calor basicamente através dos mecanismos de condução e convecção e são separados por uma parede sólida, chamada parede de separação ou superfície de transferência de calor.
Existem trocadores de calor de tantos tamanhos, tipos e aplicações que se torna necessária uma classificação, mesmo arbitrária ou ampla, e assim o fazem diversos autores como Kakaç (1), Õzişik (2) e Shah (3). Uma classificação mais geral será apresentada no próximo capítulo.
O trocador de calor mais simples é aquele no qual os dois fluidos se misturam e o deixam numa temperatura intermediária, determinada pela conservação da energia. Este equipamento é mais um misturador que um trocador. Porém na maior parte das aplicações, os fluidos não se misturam e o calor se transfere entre eles, através de uma parede de separação, que pode ter diversas geometrias e que também é chamada de superfície direta ou primária. Para aumentar a área de troca de calor, aletas podem ser conectadas à superfície direta e são chamadas de superfícies indiretas ou secundárias ou estendidas. Estas aletas formam passagens para fluidos individuais, mas não os separam.
Kakaç (1) faz uma classificação inicial, mais ampla, dos trocadores, dividindo-os em: – recuperadores;
– regeneradores; – de contato direto;
Recuperadores são trocadores de calor de transferência direta, nos quais a troca de calor entre os dois fluidos a diferentes temperaturas é feita através de uma fina parede sólida. Entre os recuperadores encontram-se os aquecedores de ar, os economizadores, os evaporadores, os condensadores e os refervedores. Seus projetos variam desde os mais simples do tipo placa, no qual os dois fluidos estão separados por uma placa larga, ou projetos com tubo no interior do tubo, até sistemas muito complicados, envolvendo passagens múltiplas, grades ou chicanas. Podem ainda ser classificado de acordo com a direção do escoamento dos fluidos, e de acordo com o número de passes dentro do trocador. Além disso, se um trocador, não ocorre mudança de fase dos fluidos, refere-se ao equipamento como um trocador de calor sensível. Caso contrário, trata-se de um trocador de calor latente.
Os padrões de escoamento são:
a) Escoamento paralelo, onde os dois fluidos escoam na mesma direção e no mesmo sentido (Fig. 1.1 a);
b) Escoamento contra corrente, onde os dois fluidos escoam na mesma direção, porém em sentido contrário (Fig. 1.1 b);
c) Escoamento cruzado, com ambos os fluidos não misturados (Fig. 1.1 c); d) Escoamento cruzado, com um dos fluidos não-misturados (Fig. 1.1 d);