TROCADORES DE CALOR DE PLACAS Capítulo 7 - OPII cap7 b

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TROCADORES DE CALOR

DE PLACAS

Capítulo 7

1

DE PLACAS

(2)

Capítulo 7

7.1. Conceito 7.2. Estrutura

7.3. Componentes Mecânicos

2

7.3. Componentes Mecânicos 7.4. Aplicações

7.5. Vantagens e Desvantagens

(3)

7.1. Conceito

Trocadores de calor de placas

(Gasketed-plate heat exchangers,

Plate and frame heat exchangers)

3

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7.2. Estrutura

4

Fonte:

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7.2. Estrutura

5

Fonte:

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7.2. Estrutura

6

Fonte:

(7)

7.2. Estrutura

7

Fonte:

(8)

7.2. Estrutura

8

Placas térmicas

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7.2. Estrutura

9

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7.2. Estrutura

Placa móvel / Cabeçote móvel (Pressure plate)

10

Placa fixa / Cabeçote fixo

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7.2. Estrutura

Barramento superior (Carrier bar)

11

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7.2. Estrutura

12

Coluna traseira

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7.2. Estrutura

13

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7.2. Estrutura

Estrutura:

14

Fonte:

(15)

7.3. Componentes Mecânicos

Os principais componentes mecânicos dos trocadores de calor de placas podem ser encontrados nas seguintes faixas de dimensões:

15

Largura da placa (m): até 1,1

Altura da placa (m): até 4,3

Número de placas: até 700

Área de uma placa (m2_): _{0,01 a 3,6}

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As placas para transferência de calor correspondem a placas metálicas corrugadas com espessura de 0,5 mm a 1,2 mm.

7.3.1. Placas

16

(17)

7.3.1. Placas

17

Fonte:

(18)

7.3.1. Placas

18

Fonte:

(19)

Há uma variedade de modelos de placas de acordo com diferentes padrões de corrugação.

As corrugações promovem turbulência no

7.3.1. Placas

19

(20)

O padrão de corrugação mais comum é chamado de Chevron ou herringbone (“espinha de

peixe”).

7.3.1. Placas

20

peixe”).

Alternativamente, também é possível encontrar placas com um padrão denominado de

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Placa corrugada tipo Chevron:

7.3.1. Placas

21

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Placa corrugada tipo Intermating:

7.3.1. Placas

22

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7.3.1. Placas

23

Fonte:

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O direcionamento dos fluidos através dos canais de escoamento e a vedação para que não haja vazamentos são garantidos através da

7.3.1. Placas

24

(25)

7.3.1. Placas

25

(26)

7.3.1. Placas

26

(27)

As placas podem ser organizadas de diferentes maneiras, propiciando várias alternativas de número de passes para cada

7.3.1. Placas

27

alternativas de número de passes para cada corrente (considera-se um passe quando uma corrente atravessa o trocador verticalmente).

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7.3.1. Placas

Arranjo 1-1:

28

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7.3.1. Placas

Arranjo 1-1:

29

(30)

7.3.1. Placas

Arranjo 2-2:

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7.3.1. Placas

Arranjo 2-1:

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7.4. Aplicações

Os trocadores de placas, tradicionalmente utilizados nas indústrias de alimentos, têm ganho cada vez mais espaço na execução de diversos serviços em indústrias químicas e petroquímicas.

32

serviços em indústrias químicas e petroquímicas.

(33)

7.4. Aplicações

Em geral, pode-se estabelecer os seguintes limites de severidade relativos às condições operacionais do serviço para utilização de trocadores de placas:

33

trocadores de placas:

Pressão < 30 bar

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7.4. Aplicações

Os trocadores de placas são principalmente utilizados para operações envolvendo líquidos, ou até mesmo, condensação e vaporização. Seu

34

até mesmo, condensação e vaporização. Seu emprego é bem menos comum em serviços envolvendo correntes gasosas.

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7.4. Aplicações

Alternativamente, há trocadores de calor de placas soldadas ou semi-soldadas onde não há a utilização de gaxetas (gasketless heat exchangers).

35

utilização de gaxetas (gasketless heat exchangers).

Entretanto, nestes casos, não é possível abrir o trocador para efetuar a limpeza mecânica das placas.

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7.5. Vantagens e Desvantagens

Em várias situações, os trocadores de placas, quando comparados a trocadores de calor

casco-e-Investimento:

36

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Em trocadores de calor de placas, é possível alcançar valores de coeficientes de convecção até três vezes maiores que em trocadores de calor

Desempenho térmico:

7.5. Vantagens e Desvantagens

37

três vezes maiores que em trocadores de calor casco-e-tubo em condições equivalentes.

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Em função da sua alta efetividade, é possível Desempenho térmico:

7.5. Vantagens e Desvantagens

38

Em função da sua alta efetividade, é possível utilizar trocadores de placas em serviços com

approaches significativamente pequenos, de até 2

(39)

Através da inclusão ou retirada de placas, a área de troca térmica pode ser facilmente

Flexibilidade:

7.5. Vantagens e Desvantagens

39

(40)

Os trocadores de calor de placas são mais compactos, reduzindo sensivelmente o espaço ocupado em relação a uma determinada área de

Espaço físico:

7.5. Vantagens e Desvantagens

40

ocupado em relação a uma determinada área de troca térmica (↑↑↑↑ m2_/m3_).

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Os problemas de deposição são reduzidos através do uso de trocadores de placas (autores sugerem adotar resistências de depósito

Deposição:

7.5. Vantagens e Desvantagens

41

sugerem adotar resistências de depósito equivalentes a no máximo 20% dos valores relativos a trocadores casco-e-tubo).

(42)

Entretanto, em correntes contendo material em suspensão com partículas de maior diâmetro

Deposição:

7.5. Vantagens e Desvantagens

42

em suspensão com partículas de maior diâmetro pode ocorrer o bloqueio do canais de escoamento.

(43)

Caso seja necessário, é possível abrir o trocador e efetuar a limpeza em ambos os lados da

Manutenção:

7.5. Vantagens e Desvantagens

43

trocador e efetuar a limpeza em ambos os lados da superfície de troca térmica.

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Trocadores de calor de placas resistem a Integridade estrutural:

7.5. Vantagens e Desvantagens

44

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Devido a restrições nas gaxetas, trocadores Limitação de uso:

7.5. Vantagens e Desvantagens

45

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Trocadores de calor de placas implicam em Perda de carga:

7.5. Vantagens e Desvantagens

46

(47)

A identificação de vazamentos devido a furos Vazamentos:

7.5. Vantagens e Desvantagens

47

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7.6. Comportamento Termofluidodinâmico

As metodologias de cálculo mais rigorosas são mantidas em sigilo pelo fabricantes de trocadores de placas, não havendo interesse em sua

48

(49)

7.6. Comportamento Termofluidodinâmico

Desta forma, é comum basear o dimensionamento deste tipo de unidade através de

49

(50)

7.6. Comportamento Termofluidodinâmico

Entretanto há correlações na literatura que permitem a realização de cálculos térmicos envolvendo trocadores de placas com um certo

50

envolvendo trocadores de placas com um certo grau de acurácia.

(51)

Ângulo Chevron (ββββ):

7.6.1. Parâmetros geométricos

51

(52)

Fator de ampliação (µµµµ):

Razão entre os comprimentos real e projetado ao longo das corrugações:

7.6.1. Parâmetros geométricos

52

Comprimento projetado

Comprimento real

µ µµ

µ = (Comprimento real / Comprimento projetado)

1,10 < µµµµ < 1,25

µ µµ

(53)

Espaço médio dos canais (b):

7.6.1. Parâmetros geométricos

p (plate pitch) t (thickness)

Chevron:

53

p (plate pitch) t (thickness)

b = p – t

total pack total total pack N L N t N L p ≈ − − = 1

(54)

Largura efetiva da placa (w):

7.6.1. Parâmetros geométricos

54

(55)

7.6.1. Parâmetros geométricos

Comprimento efetivo de troca térmica (L):

55

(56)

7.6.1. Parâmetros geométricos

Comprimento efetivo do escoamento (L_p):

56

(57)

7.6.1. Parâmetros geométricos

Área de troca térmica (A_proj e A_real):

wL

A =

Área projetada:

57

wL A_proj =

Área projetada:

Área real: _A _wL

real =

µ

(58)

D

7.6.1. Parâmetros geométricos

Diâmetro do orifício da placa (D_p):

58

(59)

7.6.1. Parâmetros geométricos

Número de placas:

Relação entre o número de placas térmicas e o número total de placas:

59

o número total de placas:

Relação entre o número de canais de escoamento e número total de placas:

(60)

Diâmetro equivalente (D_eq):

7.6.1. Parâmetros geométricos

w c eq

P A

D = 4 Ac = bw

) (

2 + µ

= b w

P

60

w

P _P ₌ ₂₍_b ₊ _w_µ₎ w ) ( 2 4 w b bw D_eq µ + =

Em geral: w >> b

µ

= b

(61)

Correlação – Kumar (1984):

7.6.2. Coeficiente de convecção

61 17 , 0 33 , 0 ) / ( Pr

Rea _w

C

(62)

7.6.2. Coeficiente de convecção

ββββ Re C a

≤30º ≤10 0,718 0,349 >10 0,348 0,663

45º

≤10 0,718 0,349

10 - 100 0,400 0,598

>100 0,300 0,663

62

>100 0,300 0,663

50º

< 20 0,630 0,333

20 – 300 0,291 0,591

> 300 0,130 0,732

60º

< 20 0,562 0,326

20 – 400 0,306 0,529

> 400 0,108 0,703

≥ 65º

< 20 0,562 0,326

20 – 500 0,331 0,503

>500 0,087 0,718

(63)

Perda de carga nas placas:

17 , 0

2 _µ −

=

∆ Lp v

f P

7.6.3. Perda de carga

63 2 µ µ = ρ ∆ w h p g v D f g P

Observação: O comprimento presente nesta equação corresponde ao valor total correspondente ao percurso da corrente através do equipamento.

Fator de atrito: z K

(64)

ββββ Re K z

≤30º

≤10 200 1

10-100 77,60 0,589

>100 11,96 0,183

45º

≤15 188 1

15 – 300 73,16 0,652

7.6.3. Perda de carga

64

15 – 300 73,16 0,652

>300 5,764 0,206

50º

< 20 136 1

20 – 300 45 0,631

300 3,088 0,161

60º

< 40 96 1

40 – 400 12,96 0,457

> 400 3,04 0,215

≥ 65º

< 50 96 1

50 – 500 11,2 0,451

>500 2,556 0,213

(65)

Perda de carga nos orifícios da placa: v KN P 2 =

∆

7.6.3. Perda de carga

65 g v KN g P p 2 =

ρ

∆

onde N_p é o número de passes, K = 1,3 e v é calculado de acordo

(66)

7.6.4. Diferença de temperatura

As placas podem ser organizadas para garantir escoamento contracorrente. Neste caso, é possível utilizar o método LMTD nos cálculos

66

possível utilizar o método LMTD nos cálculos térmicos, adotando um fator de correção unitário.

(67)

7.6.4. Diferença de temperatura

Fator de correção 2 passes / 1 passe

67

(68)

7.6.4. Diferença de temperatura

Observação: A abordagem indicada para a determinação da diferença média de temperatura só pode ser utilizada se o número de canais por

68