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TROCADORES
DE
CALOR
Discentes: Andréa Pires
Bianca Fernandes
Gabriela Vilela
Janayna Silva
Juliana Borges
Maria Emília
Raquel Faleiros
Docente: Fernanda Diamantino
Disciplina: Operações Unitárias III
1
CONCEITO
2
Um trocador de calor é um dispositivo termodinâmico que
permite a troca de calor entre dois ou mais fluidos a
temperaturas diferentes. São amplamente utilizados em
processos industriais onde se deseja aquecer ou resfriar
um fluido. Possui aplicações em varias áreas da indústria.
CONCEITO
3
CONCEITO
4
CONCEITO
5
O projeto completo de um trocador de calor pode ser
dividido em três partes principais:
• Análise Térmica;
• Projeto Mecânico Preliminar;
• Projeto de Fabricação.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
6
Os trocadores de calor permitem o aquecimento de um fluido
(fluido frio) para atender as condições de processo através do
resfriamento de outro fluido (fluido quente) existente no mesmo
processo.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
7
Vantagens:
• Aumento de temperatura sem a necessidade da queima
de combustível;
• Evita-se que a energia em um fluido já processado seja
desperdiçada para o meio ambiente.
TIPOS
Diferentes aplicações de transferência de calor requerem
diversos tipos de dispositivos, o que resultou em
inúmeros tipos de projetos inovadores de trocadores de
calor.
8
TIPOS
9
Esses projetos podem ser classificados quanto ao processo
de transferência:
TIPOS
10
Quanto ao contato entre as correntes:
TIPOS
11
Quanto à razão área de troca/volume:
TIPOS
Quanto à construção:
12
TIPOS
13
Quanto à disposição das correntes:
TIPOS
14
Quanto ao mecanismo de transferência de calor:
TIPOS
15
Dentre os principais tipos de trocadores de calor,
destacam-se:
• Duplo tubo;
• Casco e tubo;
• Serpentina;
• Aletados;
• Placas.
TIPOS
16
Trocador de Calor Duplo Tubo
• Composto por dois tubos concêntricos;
• Um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço
anular;
• A troca de calor ocorre através da parede do tubo interno;
• Usado em aplicações de pequenas capacidades;
• Fácil manutenção.
TIPOS
17
Trocador de Calor Casco e Tubo
• Composto por casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos;
• Um dos fluidos escoa pelo interior dos tubos e outro por fora dos
tubos;
• São os mais usados para quaisquer capacidades e condições
operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas
altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, etc.;
• Fácil fabricação e custo
relativamente baixo.
TIPOS
18
• As serpentinas para trocadores de
calor são responsáveis por fazerem a
troca de calor entre dois fluidos;
• Podem ser encontradas em
condensadores, aquecedores,
aparelhos de evaporação e em muitos
outros locais de aplicação.
Trocador de Calor em Serpentina
TIPOS
19
Trocador de Calor em Serpentina
TIPOS
20
Trocador de Calor em Serpentina
O formato e o tamanho das serpentinas para trocadores de
calor podem ser bem variados. É possível
encontrar serpentinas para trocadores de calor em espiral,
planas, circulares, helicoidais, entre outros. Tudo vai depender
do modo de uso e das especificações técnicas exigidas por
cada projeto.
TIPOS
21
Trocadores de Calor Aletados
• Trocadores de calor de placas aletadas são normalmente
feitos de ligas de alumínio, que proporcionam maior
eficiência na transferência de calor;
• São usados principalmente para serviços de baixa
temperatura, como plantas de liquefação de gás
natural, hélio e oxigênio, plantas de separação de ar, e na
indústria de transportes como motores e motores de
aeronaves.
TIPOS
22
• São construídos de forma que
aletas planas ou onduladas são
separadas por chapas planas;
• Correntes cruzadas,
contracorrente ou correntes
paralelas são arranjos facilmente
obtidos.
Trocadores de Calor de placa aletada
TIPOS
23
• São geralmente construídos
com tubos cilíndricos ou
chatos onde são instaladas
aletas;
• Suportam altas pressões.
Trocadores de Calor de tubo aletado
TIPOS
24
Trocador de Calor de Placas
• Consiste de um suporte, onde placas independentes de
metal, sustentadas por barras, são presas por compressão,
entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas
adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam;
• Facilidade de acesso a
superfície de troca,
substituição de placas e
facilidade de limpeza.
TIPOS
25
Para uma breve comparação entre os 3 principais tipos de trocadores de calor, as
vantagens e desvantagens de cada estão apresentadas abaixo:
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
26
Grandeza importante para:
• A análise e modelagem de um trocador de calor, por
influenciar na eficiência;
• Comparar os equipamentos disponíveis no mercado.
Q = U . A . Dt
• Q - a quantidade de calor trocado;
• U - o coeficiente global de troca térmica;
• A - a área de troca de calor;
• Dt - a diferença de temperatura entre os dois fluidos, para toda a superfície A.
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
27
Em uma operação normal, pode ser determinado através
da equação:
• c e h referem-se a fluidos frio e quente, respectivamente;
• U é coeficiente global de transferência de calor;
• h é coeficiente de película;
• R’’f é fator de incrustação;
• Rw é resistência à condução na parede;
• ɳ é eficiência das aletas.
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
28
Fatores de incrustações – R’’f
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
29
Coeficiente global de transferência de calor
CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA
30
De uma maneira geral, além do coeficiente de
transferência de calor outros fatores influenciam no
desempenho do trocador:
• Características dos fluidos;
• Temperaturas de operação;
• Pressões de operação;
• Velocidade de escoamento.
CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA
31
• Características dos fluidos
• A condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor
específico são fatores altamente influenciáveis na eficiência dos
trocadores de calor;
• Corrosividade, toxicidade, inflamabilidade e abrasividade são fatores
que influenciam na vida útil do trocador e na segurança da operação.
• Temperaturas de operação
• Ao ter as temperaturas de operação especificadas, levar em
consideração os materiais utilizados.
CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA
32
• Pressões de operação
• Altas pressões podem acarretar em danos ao equipamento, perigo de
explosões e vazamentos, enquanto que pressões muito baixas podem
diminuir consideravelmente a troca térmica efetiva.
CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA
33
• Velocidade de escoamento
• Quanto maior a velocidade de escoamento, maior é a turbulência
dentro do trocador e mais efetiva será a troca térmica.
MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO
34
• Para que a integridade e a eficiência do trocador de
calor sejam mantidos, é preciso que haja uma frequente
inspeção de suas peças;
•Para verificar se as paredes do trocador estão em bom
estado, usa-se dois métodos:
•o método do gás hélio;
•o método da corrente parasita.
MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO
35
Incrustações
• Problema frequente que prejudica o rendimento em trocadores
de calor;
•Dois problemas de incrustação são bastante comuns:
• as águas doces pouco tratadas frequentemente usadas como água de
resfriamento;
• e o chamado tártaro, que é composto de camadas depositadas de
compostos químicos como carbonato de cálcio ou carbonato de magnésio.
MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO
36
Incrustações
• Trocadores de calor tipo placas precisam ser
desmontados e limpos periodicamente;
• Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por
métodos como a limpeza ácida, jateamento e jato de água
de alta pressão;
• A limpeza mecânica, pode ser usada desde que as
camadas não estejam extremamente agregadas aos tubos,
removendo uma quantidade satisfatória destas.
MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO
37
Incrustações
• Existem mecanismos de monitoramento contínuo tal
como o sensor Neosens, que mede tanto a espessura das
incrustações, temperatura e permite aperfeiçoar a
utilização de produtos químicos;
• Um dos métodos principais de evitar as incrustações é
fazer a devida limpeza e manutenção do trocador ao
longo do tempo de uso.
APLICAÇÕES
Equipamento Função
Aquecedor
Fornece o calor sensível a um líquido ou a um
gás mediante a condensação de vapor de água
ou de um líquido térmico.
Caldeira Recuperadora
Produz vapor: é análoga a um gerador de vapor,
mas o meio de aquecimento é um gás ou um
líquido quente produzido numa reação química.
Condensador
Condensa um vapor ou uma mistura de vapores,
seja isoladamente, seja na presença de um gás
não condensável.
Gerador de vapor
Gera vapor para ser empregado em outro ponto
da instalação mediante a calor disponível num
óleo pesado ou alcatrão.
Permutador
Efetua uma função dupla: (1) Aquece um fluido
frio mediante (2) mediante um fluido quente
que é resfriado. O calor trocado não é perdido.
38
APLICAÇÕES
Equipamento Função
Refervedor
Ligado ao fundo de uma torre de
fracionamento, fornece o calor necessário à
destilação. O meio de aquecimento empregado
pode ser o vapor de água ou um fluido térmico.
Refrigerador
Resfria um líquido a uma temperatura mais
baixa do que a atingível com o uso exclusivo de
água. Usa um refrigerante como amônia ou
Freon.
Resfriador Resfria líquidos ou gases mediante água.
Superaquecedor
Aquece o vapor de água além da temperatura
de saturação.
Vaporizador Aquecedor que vaporiza parte de um líquido.
39
APLICAÇÕES
Indústria de Alimentos
• É importante o uso de trocadores de calor para a
destruição de microorganismos;
• Geralmente são usados trocadores de calor tubulares ou
a placas.
40
APLICAÇÕES
Indústria de petróleo
• São utilizados para a quebra de emulsões entre o
petróleo e água, resfriamento de gases advindos de um
processo de compressão, condensação e aquecimento de
mistura em uma torre de destilação;
• Duplo tubo, casco e tubo, tampa flutuante e de tubos
em U.
41
APLICAÇÕES
Usina Termoelétrica
• O vapor que sai da turbina passa pelo trocador de calor
antes de retornar a caldeira (trocador de calor opera como
condensador).
42
O QUE UM ENGENHEIRO PRECISA SABER
43
• O engenheiro que vai projetar ou avaliar um trocador
de calor deve ter conhecimento sobre algumas variáveis
envolvidas no processo:
•A natureza dos fluidos que percorrem o trocador;
•As temperaturas dos fluidos na entrada e na saída do trocador;
• As pressões de operação;
• A velocidade de escoamento;
• A sujeira;
• Localização dos fluidos.
REFERÊNCIAS
44
• Trocadores de calor. Disponível em:
<http://www.ufjf.br/washington_irrazabal/files/2014/05/Aula-
23_Trocadores-de-Calor.pdf>. Acesso em: 05 nov. 2016.
• Dimensionamento de equipamentos I. Disponível em:
<http://www.mundomecanico.com.br/wp-
content/uploads/2014/01/Trocadores-de-calor.pdf>. Acesso em: 05 nov.
2016.
• Conhecendo os trocadores de calor a placas. Disponível em:
<http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm>. Acesso em: 05 nov.
2016.
• Trocadores de calor. Disponível em:
<http://www.evacon.com.br/trocadores_de_calor/produtos_trocadores
_de_calor.asp>. Acesso em: 05 nov. 2016.
45
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  • 1. TROCADORES DE CALOR Discentes: Andréa Pires Bianca Fernandes Gabriela Vilela Janayna Silva Juliana Borges Maria Emília Raquel Faleiros Docente: Fernanda Diamantino Disciplina: Operações Unitárias III 1
  • 2. CONCEITO 2 Um trocador de calor é um dispositivo termodinâmico que permite a troca de calor entre dois ou mais fluidos a temperaturas diferentes. São amplamente utilizados em processos industriais onde se deseja aquecer ou resfriar um fluido. Possui aplicações em varias áreas da indústria.
  • 5. CONCEITO 5 O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais: • Análise Térmica; • Projeto Mecânico Preliminar; • Projeto de Fabricação.
  • 6. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 6 Os trocadores de calor permitem o aquecimento de um fluido (fluido frio) para atender as condições de processo através do resfriamento de outro fluido (fluido quente) existente no mesmo processo.
  • 7. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 7 Vantagens: • Aumento de temperatura sem a necessidade da queima de combustível; • Evita-se que a energia em um fluido já processado seja desperdiçada para o meio ambiente.
  • 8. TIPOS Diferentes aplicações de transferência de calor requerem diversos tipos de dispositivos, o que resultou em inúmeros tipos de projetos inovadores de trocadores de calor. 8
  • 9. TIPOS 9 Esses projetos podem ser classificados quanto ao processo de transferência:
  • 10. TIPOS 10 Quanto ao contato entre as correntes:
  • 11. TIPOS 11 Quanto à razão área de troca/volume:
  • 14. TIPOS 14 Quanto ao mecanismo de transferência de calor:
  • 15. TIPOS 15 Dentre os principais tipos de trocadores de calor, destacam-se: • Duplo tubo; • Casco e tubo; • Serpentina; • Aletados; • Placas.
  • 16. TIPOS 16 Trocador de Calor Duplo Tubo • Composto por dois tubos concêntricos; • Um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular; • A troca de calor ocorre através da parede do tubo interno; • Usado em aplicações de pequenas capacidades; • Fácil manutenção.
  • 17. TIPOS 17 Trocador de Calor Casco e Tubo • Composto por casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos; • Um dos fluidos escoa pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos; • São os mais usados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, etc.; • Fácil fabricação e custo relativamente baixo.
  • 18. TIPOS 18 • As serpentinas para trocadores de calor são responsáveis por fazerem a troca de calor entre dois fluidos; • Podem ser encontradas em condensadores, aquecedores, aparelhos de evaporação e em muitos outros locais de aplicação. Trocador de Calor em Serpentina
  • 19. TIPOS 19 Trocador de Calor em Serpentina
  • 20. TIPOS 20 Trocador de Calor em Serpentina O formato e o tamanho das serpentinas para trocadores de calor podem ser bem variados. É possível encontrar serpentinas para trocadores de calor em espiral, planas, circulares, helicoidais, entre outros. Tudo vai depender do modo de uso e das especificações técnicas exigidas por cada projeto.
  • 21. TIPOS 21 Trocadores de Calor Aletados • Trocadores de calor de placas aletadas são normalmente feitos de ligas de alumínio, que proporcionam maior eficiência na transferência de calor; • São usados principalmente para serviços de baixa temperatura, como plantas de liquefação de gás natural, hélio e oxigênio, plantas de separação de ar, e na indústria de transportes como motores e motores de aeronaves.
  • 22. TIPOS 22 • São construídos de forma que aletas planas ou onduladas são separadas por chapas planas; • Correntes cruzadas, contracorrente ou correntes paralelas são arranjos facilmente obtidos. Trocadores de Calor de placa aletada
  • 23. TIPOS 23 • São geralmente construídos com tubos cilíndricos ou chatos onde são instaladas aletas; • Suportam altas pressões. Trocadores de Calor de tubo aletado
  • 24. TIPOS 24 Trocador de Calor de Placas • Consiste de um suporte, onde placas independentes de metal, sustentadas por barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam; • Facilidade de acesso a superfície de troca, substituição de placas e facilidade de limpeza.
  • 25. TIPOS 25 Para uma breve comparação entre os 3 principais tipos de trocadores de calor, as vantagens e desvantagens de cada estão apresentadas abaixo:
  • 26. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 26 Grandeza importante para: • A análise e modelagem de um trocador de calor, por influenciar na eficiência; • Comparar os equipamentos disponíveis no mercado. Q = U . A . Dt • Q - a quantidade de calor trocado; • U - o coeficiente global de troca térmica; • A - a área de troca de calor; • Dt - a diferença de temperatura entre os dois fluidos, para toda a superfície A.
  • 27. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 27 Em uma operação normal, pode ser determinado através da equação: • c e h referem-se a fluidos frio e quente, respectivamente; • U é coeficiente global de transferência de calor; • h é coeficiente de película; • R’’f é fator de incrustação; • Rw é resistência à condução na parede; • ɳ é eficiência das aletas.
  • 28. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 28 Fatores de incrustações – R’’f
  • 29. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 29 Coeficiente global de transferência de calor
  • 30. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA 30 De uma maneira geral, além do coeficiente de transferência de calor outros fatores influenciam no desempenho do trocador: • Características dos fluidos; • Temperaturas de operação; • Pressões de operação; • Velocidade de escoamento.
  • 31. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA 31 • Características dos fluidos • A condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico são fatores altamente influenciáveis na eficiência dos trocadores de calor; • Corrosividade, toxicidade, inflamabilidade e abrasividade são fatores que influenciam na vida útil do trocador e na segurança da operação. • Temperaturas de operação • Ao ter as temperaturas de operação especificadas, levar em consideração os materiais utilizados.
  • 32. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA 32 • Pressões de operação • Altas pressões podem acarretar em danos ao equipamento, perigo de explosões e vazamentos, enquanto que pressões muito baixas podem diminuir consideravelmente a troca térmica efetiva.
  • 33. CONDIÇÕES OPERACIONAIS E FATORES DE INFLUÊNCIA 33 • Velocidade de escoamento • Quanto maior a velocidade de escoamento, maior é a turbulência dentro do trocador e mais efetiva será a troca térmica.
  • 34. MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO 34 • Para que a integridade e a eficiência do trocador de calor sejam mantidos, é preciso que haja uma frequente inspeção de suas peças; •Para verificar se as paredes do trocador estão em bom estado, usa-se dois métodos: •o método do gás hélio; •o método da corrente parasita.
  • 35. MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO 35 Incrustações • Problema frequente que prejudica o rendimento em trocadores de calor; •Dois problemas de incrustação são bastante comuns: • as águas doces pouco tratadas frequentemente usadas como água de resfriamento; • e o chamado tártaro, que é composto de camadas depositadas de compostos químicos como carbonato de cálcio ou carbonato de magnésio.
  • 36. MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO 36 Incrustações • Trocadores de calor tipo placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente; • Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por métodos como a limpeza ácida, jateamento e jato de água de alta pressão; • A limpeza mecânica, pode ser usada desde que as camadas não estejam extremamente agregadas aos tubos, removendo uma quantidade satisfatória destas.
  • 37. MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO 37 Incrustações • Existem mecanismos de monitoramento contínuo tal como o sensor Neosens, que mede tanto a espessura das incrustações, temperatura e permite aperfeiçoar a utilização de produtos químicos; • Um dos métodos principais de evitar as incrustações é fazer a devida limpeza e manutenção do trocador ao longo do tempo de uso.
  • 38. APLICAÇÕES Equipamento Função Aquecedor Fornece o calor sensível a um líquido ou a um gás mediante a condensação de vapor de água ou de um líquido térmico. Caldeira Recuperadora Produz vapor: é análoga a um gerador de vapor, mas o meio de aquecimento é um gás ou um líquido quente produzido numa reação química. Condensador Condensa um vapor ou uma mistura de vapores, seja isoladamente, seja na presença de um gás não condensável. Gerador de vapor Gera vapor para ser empregado em outro ponto da instalação mediante a calor disponível num óleo pesado ou alcatrão. Permutador Efetua uma função dupla: (1) Aquece um fluido frio mediante (2) mediante um fluido quente que é resfriado. O calor trocado não é perdido. 38
  • 39. APLICAÇÕES Equipamento Função Refervedor Ligado ao fundo de uma torre de fracionamento, fornece o calor necessário à destilação. O meio de aquecimento empregado pode ser o vapor de água ou um fluido térmico. Refrigerador Resfria um líquido a uma temperatura mais baixa do que a atingível com o uso exclusivo de água. Usa um refrigerante como amônia ou Freon. Resfriador Resfria líquidos ou gases mediante água. Superaquecedor Aquece o vapor de água além da temperatura de saturação. Vaporizador Aquecedor que vaporiza parte de um líquido. 39
  • 40. APLICAÇÕES Indústria de Alimentos • É importante o uso de trocadores de calor para a destruição de microorganismos; • Geralmente são usados trocadores de calor tubulares ou a placas. 40
  • 41. APLICAÇÕES Indústria de petróleo • São utilizados para a quebra de emulsões entre o petróleo e água, resfriamento de gases advindos de um processo de compressão, condensação e aquecimento de mistura em uma torre de destilação; • Duplo tubo, casco e tubo, tampa flutuante e de tubos em U. 41
  • 42. APLICAÇÕES Usina Termoelétrica • O vapor que sai da turbina passa pelo trocador de calor antes de retornar a caldeira (trocador de calor opera como condensador). 42
  • 43. O QUE UM ENGENHEIRO PRECISA SABER 43 • O engenheiro que vai projetar ou avaliar um trocador de calor deve ter conhecimento sobre algumas variáveis envolvidas no processo: •A natureza dos fluidos que percorrem o trocador; •As temperaturas dos fluidos na entrada e na saída do trocador; • As pressões de operação; • A velocidade de escoamento; • A sujeira; • Localização dos fluidos.
  • 44. REFERÊNCIAS 44 • Trocadores de calor. Disponível em: <http://www.ufjf.br/washington_irrazabal/files/2014/05/Aula- 23_Trocadores-de-Calor.pdf>. Acesso em: 05 nov. 2016. • Dimensionamento de equipamentos I. Disponível em: <http://www.mundomecanico.com.br/wp- content/uploads/2014/01/Trocadores-de-calor.pdf>. Acesso em: 05 nov. 2016. • Conhecendo os trocadores de calor a placas. Disponível em: <http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm>. Acesso em: 05 nov. 2016. • Trocadores de calor. Disponível em: <http://www.evacon.com.br/trocadores_de_calor/produtos_trocadores _de_calor.asp>. Acesso em: 05 nov. 2016.