Trabalho sobre trocadores de calor em escala industrial., Trabalhos de Transferência de Calor

Baixe Trabalho sobre trocadores de calor em escala industrial. e outras Trabalhos em PDF para Transferência de Calor, somente na Docsity!

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E

TECNOLOGIA DE MATO GROSSO

CAMPUS RONDONÓPOLIS

ENSINO MÉDIO INTEGRADO EM CURSO QUÍMICA

TROCADORES DE CALOR

Rondonópolis - MT

Anna Caroline Barbosa Alves Silva Cárita Luísa Lima da Costa Carlos Eliabe Guimarães Boff Maria Eduarda Silva Nalon Maria Fernanda Nunes Santana Pedro Pires Teixeira Yasmim Cunha Barbosa Yasmin Gabrielly Amorim Marangão

TROCADORES DE CALOR

Trabalho apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso (IFMT), campus Rondonópolis como parte da avaliação da disciplina de Operações unitárias e Mecânica dos Fluidos, sob a orientação do Prof. Dr. Diogo Italo Segalen Silva.

Rondonópolis - MT

• RESUMO
• INTRODUÇÃO
• CONCEITOS FUNDAMENTAIS RELACIONADOS TERMODINÂMICA
  • Temperatura, calor e equilíbrio térmico
• CONCEITOS RELACIONADOS À TRANSMISSÃO DE CALOR
  • Convecção
  • Radiação
  • Condução
• TROCADOR DE CALOR INDUSTRIAIS
  • Definição e classificação de trocadores de calor
    • Trocadores de calor em função do escoamento
      • Escoamento em paralelo
      • Escoamento em contracorrente
      • Escoamento cruzado
    • Trocadores de calor em função do contato
      • Direto
      • Indireto
    • Trocadores de calor tubulares
      • Trocadores de calor de tubo duplo
      • Trocadores de calor com casco e tubo
      • Trocadores de calor bitubulares ou de tubos concêntricos
    • Trocadores de calor serpentinas
    • Trocador de calor à placas
  • Fator de deposição
• INTRODUÇÃO AOS CÁLCULOS
  • Capacidade térmica
  • Calor específico
  • Calor sensível e latente
  • Fatores que influenciam na transferência de calor
  • Equilíbrio térmico
• TECNOLOGIAS RELACIONADAS AOS TROCADORES DE CALOR
• CONSIDERAÇÕES FINAIS
• REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

RESUMO

Este trabalho tem o intuito de compreender os mecanismos de transferência de calor entre fluidos na indústria, contudo, se faz necessário o entendimento a respeito dos conceitos físicos relacionados à termodinâmica e a calorimetria, por isso será abordado a convecção, radiação e condução. Além das equações referentes a capacidade térmica, calor específico, sensível e latente e equilíbrio térmico, a fim de uma maior compreensão das variáveis e fatores que influenciam na transferência de calor. Adentrando assim nos diversos tipos de trocadores de calor, industriais, com diferentes mecanismos para o mesmo fim, favorecer o trânsito de calor entre os fluidos. Também há o objetivo de frequentemente relacionar os conceitos com aplicações práticas, com intenção de esclarecer o emprego da teoria e avanços tecnológicos, seja na indústria ou não, pois este tipo de relação beneficia a formação/preparação de atuantes na área, tal como o técnico em química.

INTRODUÇÃO

Os trocadores de calor/permutadores de calor são máquinas ou mecanismos os quais têm como objetivo facilitar certo equilíbrio térmico de determinados corpos, esses estão muito presentes no cotidiano, embora não sejam conhecidos por essa nomenclatura, a maneira que um condensador é um trocador, o ventilador, a geladeira e o ar condicionado também o são. Desta maneira é necessário o domínio das relações de calor, pois grande parte das indústrias de produção, faz-se necessário o manuseio de um trocador de calor industrial, a fim de obter um eficiente processo de troca térmica entre fluidos com temperaturas distintas, é um processo considerado comum nas aplicações da engenharia. Para um profissional atuante na área da química industrial, é alta de importância o conhecimento das funções desses equipamentos e dos processos que o envolvem, tanto para o bom funcionamento da empresa no que se refere ao lucro, quanto para a segurança dos operários.

CONCEITOS FUNDAMENTAIS RELACIONADOS TERMODINÂMICA

Para entender os processos que constituem as trocas de calor faz-se necessário conhecer alguns conceitos fundamentais que frequentemente serão citados ao decorrer do texto.

Temperatura, calor e equilíbrio térmico

Primeiramente deve-se distinguir a diferença entre calor e temperatura. É correto afirmar que temperatura é uma grandeza responsável por medir o grau de agitação das moléculas em um determinado corpo, já o calor consiste na força motriz que causa variação de temperatura ou estado físico. Nisso quando corpos de diferentes temperaturas colidirem, diretamente ou não, ocorrerá o equilíbrio térmico

demonstrado na figura 1. A taxas de convecção podem ser calculadas pela Equação

Equação 1 - Taxa de convecção Q = H c A ( T s − Tf ) Figura 1: aquecedor de ambiente promovendo a corrente de convecção.

Fonte: Machine design - CONVECCTION

Radiação

A transferência de calor por meio da radiação se dá pela emissão de ondas eletromagnéticas. No qual, essas ondas levam a energia para longe do objeto de emissão. O resultado da radiação se dá pelos movimentos aleatórios de átomos e moléculas na matéria.

Qualquer material irradia energia térmica com base em sua temperatura. Ou seja, quanto mais quente é um objeto, mais ele irá irradiar. Um exemplo de radiação que pode ser citado é o sol, pois ele transfere calor pelo sistema solar, no qual as

ondas de calor provenientes do sol, atravessam uma distância enorme, no vácuo, até chegar a terra, e transmitir à ela seu calor.

Condução

A condução é um processo de transferência de calor de uma molécula para outra. Esse processo denomina- se condução térmica em que as partículas de uma região com maior temperatura transferem sua agitação térmica para as partículas de uma região vizinha com temperatura menor. Com o aumento da temperatura de um corpo sólido (seja por aquecimento ou contato com outro), a energia cinética aumenta.

A condução térmica depende de um material de um determinado objeto é feito. os materiais que diminuem o fluxo de calor entre os corpos impedindo que o calor entre ou saia de um corpo, são denominados isolantes térmicos(maus condutores) ,como por exemplo a madeira, plastico, isopor , lã entre outros. já os materiais que transmitem facilmente calor de um corpo para o outro são considerados bons condutores térmicos, e os melhores exemplo desse tipo de material são os metais, que, por isso, são utilizados na confecção de panelas, ferro de passar etc.

TROCADOR DE CALOR INDUSTRIAIS

Trocadores de calor executam a troca de calor entre dois fluidos ou mais que se encontram a diferentes temperaturas. São equipamentos de vários tipos e com diferentes configurações. As dimensões e o peso dos trocadores de calor industriais são critérios muito importantes, devido a na indústria, serem utilizados em diversificados processos, tais como em processos contínuos, refrigeração de materiais ou em batelada de aquecimento, por isso, podemos classificar os trocadores de calor de diferentes maneiras, conforme os processos de transferência de calor e de acordo com a sua construção que se baseia em modelos e características técnicas. Vejamos abaixo os trocadores existentes no mercado. E as especificidades, funcionalidades e vantagens de cada modelo.

Definição e classificação de trocadores de calor

A troca térmica entre dois fluidos de divergentes temperaturas separadas por um meio sólido pode ter diversas utilizações na indústria química e de processamentos em geral, e é realizada com o uso de aparelhos de trocas térmica, também denominados trocadores de calor. Segundo Kakaç (Heat Exchangers, Selection, rating and Thermal design,2002) trocadores de calor são aparelhos que proporcionam a torrente de energia térmica entre dois ou mais fluidos ambos em diferentes temperaturas que podem ou não estarem em contato direto. Suas aplicações na indústria são diversas, logo, têm-se a necessidade de classificá-los de acordo com os seguintes critérios: Recuperadores; Processos de Transferência,

Fonte: Bergman et al. (2016, p. 455).

Para os trocadores de calor que apresentam escoamento em paralelo, as distribuições de temperaturas são dadas pela Figura 3

Figura 3 - Perfis de temperatura num trocador de calor com correntes em paralelo

Fonte: Bergman et al. (2016, p. 455).

Escoamento em contracorrente Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do equipamento de troca de calor e fluem em sentidos opostos podem ser visualizados pela Figura 4

Figura 4 - Escoamento em um trocador contracorrente

Fonte: Bergman et al. (2016, p. 455).

Quando o escoamento ocorre em contracorrente, as distribuições de temperaturas podem ser representadas pela Figura 5

Figura 5 | Perfis de temperatura num trocador de calor com escoamento contracorrente.

Fonte: Bergman et al. (2016, p. 457).

Escoamento cruzado Trocadores de calor são dispositivos construídos para efetuar uma troca de calor eficiente entre dois fluidos. São amplamente aplicados em processos de engenharia como inter-resfriadores,pré-aquecedores,evaporadores, condensadores, etc. Nos permutadores de calor de fluxo cruzado, as direções do escoamento dos fluidos de trabalho são perpendiculares entre si. Um fluido escoa internamente em um conglomerado de tubos e o outro fluido escoa externamente através dos tubos(feixes), com temperatura diferente do primeiro (Fig. 6). O trocador de fluxo cruzado, tem ampla utilização na engenharia, sendo muito utilizado como evaporadores, no resfriamento a ar de condensadores e como resfriadores de água (radiadores) utilizados em motores automotivos.

Figura 6 |Representação do escoamento cruzado

Fonte: Estudo de um trocador de calor de fluido cruzado-fem Unicamp

Os tubos do trocador de fluxo cruzado são organizados das mais diversas maneiras, todas elas procurando maximizar a eficiência do equipamento através do aumento da taxa de transferência de calor e da diminuição do seu tamanho. As organizações dos tubos sempre visam estabelecer condições do escoamento externo sobre o feixe de tubos tais que prevaleçam os efeitos de separação de camada limite e interação de vórtices, tudo visando influenciar (maximizar) o coeficiente de transferência de calor por convecção.

Trocadores de calor de tubo duplo

Em conformidade com Kakaç e Liu (2002 p.7) um permutador de calor de tubo duplo, tal como o próprio nome propõe consiste em dois tubos posicionados concentricamente dentro de outro tubo com um diâmetro maior. Estes contém espaços por onde o fluido vai escoar e normalmente, um desses fluidos escoa através do segmento interno de um tubo, enquanto o outro através do trecho anular no meio de outros tubos, mantendo-o em uma condução de contra fluxo, tendo suas conexões apropriadas para o direcionamento do fluxo de uma seção para a outra, em concordância com a Figura 7 também possui uma curva de retorno com o formato de “U”, na verdade, possui várias e isso acaba prejudicando os processos, dado que ocupam um grande espaço. Na indústria, são comumente utilizados no aquecimento ou resfriamento de fluidos de processos em pequenas áreas de transferência de calor. Ao contrário do permutador de calor com casco e tubo, esse equipamento possui um custo muito alto por área de transferência, essa é uma de suas desvantagens. É vantajoso em razão de resistir a grandes pressões e temperaturas e ser de fácil limpeza.

Figura 7 - Trocador de calor com pinos de cabelo de tubo duplo com vista em seção transversal e alojamento da dobra de retorno.

Fonte: Brown Fintube apud Kakaç e Liu (2002 p.9)

Trocadores de calor com casco e tubo

Os equipamentos que realizam trocas de calor com casco e tubo são frequentemente usados no meio industrial pelo fato de terem ótimas condições operacionais em meio a alta pressão e temperatura. É formado por uma carcaça em formato circular que em seu interior contém um conjunto de tubos. O fluido de

temperatura mais elevada geralmente escoa no interior trocando calor com os fluidos de temperatura menor que são forçados a deslocarem em uma trajetória na parte do casco, diante disso, é possível obter a mudança na temperatura de ambos os fluidos. São comumente usados como resfriadores, aquecedores e condensadores, já que o material dos tubos é geralmente de aços-liga e atende às necessidades do sistema, tal como corrosão. É possível visualizar a feição desse trocador na Figura 8.

Figura 8 - casco e tubo

Adaptado de: Butterworth, D. (1988) apud Kakaç e Liu (2002, p.9)

Conforme a Figura 1, o trocador de calor com casco e tubo é constituído por um feixe de tubos, estes atravessam os defletores (ou chicanas). Nos trocadores mais simplistas, geralmente há uma entrada na carcaça para fluidos refrigerantes, uma entrada no cabeçote para os fluidos de temperatura elevada e uma saída. É indiscutível a importância dos defletores para uma eficiente troca térmica, já que são capazes evitar vibrações nos trocadores de calor, dando assim uma estabilidade, logo, há um variado leque de defletores na indústria, conforme a Figura 2. No entanto, o tipo mais usado é o de disco e anel, a escolha do tipo de defletor depende diretamente da vazão e da perda de carga. É necessário frisar que os fatores edificadores desse tipo de trocador influenciam na turbulência do escoamento.

Figura 10 - Arranjo de tubos em um trocador de calor de casco e tubo

Fonte: Santim e Benevides (2018, p. 73)

Em relação às condições naturais do fluido que está sendo conduzido, é factível que esses equipamentos bombeiem fluidos no equipamento de líquido em líquido, líquido em gás, ou gás em gás. Geralmente os trocadores de líquido para líquido são os mais comuns nas indústrias. A condição de líquido para gás também é comum, porém utiliza-se aletas nos tubos com gases e estas atuam melhorando o coeficiente de transmissão de calor, já que é relativamente baixo se comparado aos demais. Os equipamentos do tipo Vale também ressaltar as propriedades físicas importantes nas condições naturais dos fluidos, como, viscosidade, densidade e temperatura.

Os fatores que permitem vantagens para a eficiência de um permutador de calor com casco e tubos são inúmeros, tal como maiores coeficiente de transferência de calor, maior versatilidade aos tipos de fluido que suporta, uma vez que resiste a altos níveis de corrosão, baixo custo, tornando-o uma opção viável para a empresa.

Segundo Kreith e Bohn (2002, p. 443), como tudo que há na natureza, em um equipamento que realiza trocas térmicas há também impurezas, ou seja, deposição de materiais, que prejudicam o desempenho dos equipamentos. Esse depósito pode aparecer de várias formas, como através deposição de ferrugem e resquícios de reações químicas entre o fluido e o tubo.

Normalmente, é possível prever isso analisando a natureza do fluido que está sendo conduzido e o material da tubulação, porém, refere-se a algo natural e praticamente inevitável. Esse efeito é denominado incrustação, causa uma redução na capacidade de trocas térmicas, e aumenta a queda de pressão. É possível adotar técnicas para diminuir esse efeito. Há dois materiais que facilitam esse efeito, a água doce (usada como refrigerante), e resquícios de depósitos químicos, como o carbonato de cálcio e carbonato de magnésio. Diante disso, é necessário haver uma manutenção constante para verificar a eficácia do equipamento, usam-se vários métodos, como o de substituição dos tubos a fim de recuperar a capacidade de realizar efetivas transferências de calor, a esse tipo de processo é realizado apenas em casos extremos, há também a limpeza mecânica que se dá através injetarem limpadores metálicos em bombas com alta vazão, existe também a limpeza química

que consiste em um sistema fechado para bombear acoplados ao trocador, é comum em tubulações com impurezas como o carbonato de cálcio.

Através dessa perspectiva de manutenção é possível evitar as incrustações, fazendo uma constante limpeza e inspeção para não obter futuros prejuízos e assim prolongar o tempo de vida previsto do trocador.

Trocadores de calor bitubulares ou de tubos concêntricos

Dentre a grande diversidade de instrumentos utilizados para realizarem a mudança térmica em diversos processamentos relacionados a empresas petrolíferas, alimentícias, de conversão de energia, indústrias de transformação, entre outras, habitualmente pode ser visto o uso do trocador de calor bitubular, este que tem a característica de ter certo grau de facilidade quando composto em algum processo mostrando alta versatilidade em sua implantação. Desta maneira, ter conhecimento de suas propriedades e de sua performance se faz necessária para atuantes da área.

Os trocadores de calor bitubulares ou de tubos concêntricos são copiosamente utilizados em numerosos procedimentos no total, através de dois perfis que se distinguem em relação a espécie de escoamento: paralelo (concorrente, ou seja, as correntes tanto frias como quentes deslocam-se no tubo interno e na região anular com idêntico sentido) e contracorrente (as correntes tanto frias como quentes deslocam-se com sentidos distintos). Eles conseguem manifestar escoamento desagregado, gás-gás, gás-líquido e líquido-líquido, por entre os fluidos não haver contacto e devido o calor ser passado de maneira continua transversalmente em uma parede. Nas insdustrias químicas é comum o escoamento líquido-líquido, contando que a água tem a capacidade de arrefecer vários reagentes e óleos, aquecer oleodutos, dentro outros. Já o admissão de correntes gás-líquido é mais utilizadas em projetos como Green Building, devido o ar poder ser aquecido ou resfriado no trocador, como exemplo; os instrumentos ar-condicionado, tão presente no nosso cotidiano.O escoamento gás-gás, de certa forma menos empregado, no momento em que passa a ser utilizado é, em geral, no trocador de calor de tubos concêntricos, posto que podem ser elaborado com a capacidade de aguentarem altos níveis de pressão e temperatura.

Além disso, eles podem ser dispostos com organização em série ou paralelo. Assim, o trocador em dependência da quantia de calor que deverá ser trocada, acarretará na tomada de elevadas dimensões, é recomendável sua utilização em áreas de cerca de 4m^2 , pois se a área for maior seu custo de elaboração relacionado ao espaço que ele ocupará será inexecutável/irrealizável e com valores dessa magnitudes é indica o trocador de calor casco e tubo ou á placas paralelas. Segundo

exemplo o lamela, o espiral, o aleta, o soldado, armação, ‘’platecoli”, entre outros. Mas em todos o escoamento é realizado de maneira igual, ou seja, os fluidos escoam por canais estreitos trocando calor através de placas metálicas finas.

Os trocadores de calor a placas com gaxetas ou PHEs foram posto dentro do comércio dentre a década de 30, com o objetivo de atender às necessidades envolvendo limpeza e higiene de indústrias de cunha farmacêutico e alimentício, devido ter a característica de ser fácil sua desmontagem para que ocorresse sua limpeza e inspeção. Todavia, devido às várias mudanças e aperfeiçoamentos na tecnologia, os PHE viraram um grande adversário aos clássicos trocadores de calor casco-e-tubos ou até mesmo os duplo-tubos nas diversas funções das indústrias. Na atualidade sua utilização está associada em numerosos procedimentos envolvendo trocas térmicas no meio de líquidos com temperaturas e pressões ponderadas (no máximo 1,5 Mpa e 150 graus celsius) se o desejo for uma elevada eficiência de temperatura.

Eles são construídos por um conjunto/pacote de chapas metálicas finas, as quais ficam prensadas em um pedestal, este tem uma placa de aperto móvel e uma fixa, além de possuir barramentos superior e inferior e parafusos com a função de apertar. As placas fixas, como também as de aperto,contam com bocais para que haja a ligação dos tubos de coleta e alimentação dos fluidos, como também dispõem de furos nos cantos para que ocorra o escoamento dos fluidos, sendo seladas nos extremos por gaxetas(conhecidas como juntas) feitas com um material elastomérico. No momento em que ocorre o alinhamento e a prensa delas no pedestal, desenvolve-se no meio delas uma sucessão paralela de escoamento. Com a função de promover a elevação da turbulência do escoamento nestes canais, como também, para elevar a resistência mecânica do pacote de placas( quantia que pode variar de 3 a 700 placas, de acordo com a eficiência do pedestal) a área central da placa tem descrição ondulada. Há vários tipos de desenhos e dimensões de placas. A área onde ocorre as trocas térmicas tem uma variação, por placa, de 0,03 a 3,6 m2, sendo a corpulência da chapa tem um valor equivalente de 1mm. As espécies mais simples de corrugações são: C hevron ou espinha de peixe e Washboard ou tábua de lavar. É de extrema relevância para a estimação dos trocadores de calor a placas com gaxetas o ângulo cuja as ranhuras Chevron estão inclinadas, porque eles possuem certo “poder” em relação ao detrimento de carga dos fluidos e os coeficientes das trocas térmicas.

O pedestal geralmente é produzido com o aço carbono junto a uma pintura anticorrosiva. As placas são criadas de um metal que seja condescendente, que resiste à corrosão e que aguente ser prensado e laminado, na maioria das vezes é utilizado o aço inoxidável AISI-316, todavia materiais como cobre e suas ligas , titânio, níquel não são dispensados, sempre observando as circunstâncias do processo. Gaxetas são feitas de elastômeros, principalmente borrachas butílicas e

nitrílicas, lembrando que para que elas resistem a temperaturas acimas de 150 graus célsius é necessário a adição de amianto. Os PHEs tem como principais vantagens: a facilidade na limpeza, a característica de serem extremamente flexíveis, a economia, o rendimento térmico, a dificuldade de vazamentos nas gaxetas e a possibilidade de poderem aumentar a turbulência dentro dos canais. Em contrapartida suas desvantagens são: pressões maiores que 1,5 Mpa não são resistidas, não suportar temperaturas acima de 150 graus célsius necessitando de gaxetas mais resistentes/especiais, há um grande número de perda de carga por atrito por causo do espaço limitado entre as placas corrugadas, não são aconselhados para vapores e gases devido ao espaço limitado nos canais, dentre outros fatores.

Fator de deposição

Devido às correntes, na maioria das vezes, conterem sujeiras e ocorrer o desenvolvimento da corrosão (ferrugem), os trocadores ficam sujeitos às indesejáveis incrustações, as quais oferecem certa renitência as trocas térmicas, o que afeta a eficácia deste. Esta reticência denomina-se fator de deposição ou incrustação. A qual, da mesma maneira, prejudica o cálculo de coeficiente global de transferência de calor do trocador. Aspectos como: o tempo utilizado de vida e de operação do trocador, a falta de limpeza e manutenção correta e etc, podem ser associados para o surgimentos das incrustações.

INTRODUÇÃO AOS CÁLCULOS

Os permutadores de calor estão imersos no âmbito da termodinâmica, a etimologia desta é construída através de duas estruturas gregas: o prefixo thermo-, em referência ao calor e dýnamis, interpretado como força, logo subentende-se que ela é o ramo da física o qual tem como objeto de estudo as interações energéticas entre duas dimensões: o calor e a força. Em termos práticos KREITH e BOHN (1922, p.1) descrevem transferência de calor como a transferência de energia que há em um ou mais sistemas que possuírem fluidos com diferentes temperaturas, isto é um gradiente de temperatura, em contato direto ou não. “ A entidade em trânsito, chamada calor, não pode ser medida ou observada diretamente, porém os efeitos que ela produz são susceptíveis de observação e medição” (Ibidem., p.1) sendo assim, é possível prover através de cálculos e experimentos empíricos as transformações físicas provenientes da transferência de calor e fatores como efetividade do equipamento, então é denominado calorimetria o estudo das consequências do calor.