INTRODUÇÃO Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplic ações da Engenharia. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje se busca aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na crescente preocupação pela conservação de energia.
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Fundamentação teorica. Equação de Troca Térmica
Matematicamente a troca de calor em permutadores é dada pela equação:
Q = U A ( Ts - Te) Onde : • Q é a quantidade de calor transferida • A é a área de troca térmica • U é o coeficiente global de transferência de calor • Ts é a temperatura de saída • Te é a temperatura de entrada
Coeficiente global de transferência de calor. O coeficiente global depende da construção, operação correta e do tempo de operação do trocador, das propriedades e vazão dos fluidos. A construção do trocador com tubos espessos diminuirá a transferência de calor por condução consequentemente menor o U. Outro fator que influi na transferência é a turbulência, pois com ela aumentamos a convecção. O trocador é construído de maneira a assegurar altas turbulências, mantendo-se a perda de carga em valores aceitáveis. O aumento de vazão, para um mesmo trocador, determinará um aumento na turbulência e consequentemente aumento da transferência por convecção. As propriedades dos fluidos tais como condutividade térmica e viscosidade influem na transferência de calor por condução e convecção respectivamente. Líquidos viscosos tem uma menor turbulência e por conseguinte menor transferência de calor. A pré - operação incorreta de um trocador pode deixar ar preso no trocador. Este ar forma filmes que funcionam como excelentes isolantes térmicos. Os trocadores de calor com o tempo começam a trocar menos calor devido à formação de depósitos nos tubos que agem como isolante. A quantidade de depósitos depende: • do tempo em que o trocador está em operação; • da natureza do fluido (muito ou pouco sujo); • da velocidade de escoamento (as altas velocidades retardam a formação de depósitos devido ao arraste destes pelo fluido). O coeficiente global é a soma dos várias coeficientes individuais de transferência de calor e tanto o coeficiente global como os individuais são inversos da resistência global e das resistência individuais, respectivamente. No permutador de calor temos: • o coeficiente de filme do fluido exterior; • o coeficiente de filme do fluido interior; • o coeficiente de sujidade exterior; • o coeficiente de sujidade interior; • a condutividade térmica do material da parede do tubo; • a espessura da parede do tubo que é a diferença entre o diâmetro externo e interno.
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Diferença de Temperatura. Diferença Média Logarítimica de Temperatura(LMTD)
A diferença de temperatura é a força motriz que determina a transmissão de calor de uma fonte a um receptor. Os fluidos, de um modo geral, em um trocador de calor sofrem variações de temperatura que não são lineares quando as temperaturas são plotadas contra um comprimento, Em cada ponto entre a entrada e a saída do trocador T - t assume valores diferentes. Observa-se que não seria prático calcular cada uma dessas temperaturas, então lança-se mão da temperatura média logaritimica. O calculo de ΔT, diferença de temperatura média logarítmica, é dado pela equação:
ΔT = ΔT1 - ΔT2___ ln ΔT1 ΔT2 Onde : ΔT1 e ΔT2 são as diferenças de temperatura nas extremidades do trocador de calor. A direção relativa dos fluidos influi decisivamente no valor da diferença da temperatura. No escoamento em paralelo, as temperatura ΔT1 e ΔT2 serão calculadas pelas equações: ΔT1 = Tqe - Tfe ΔT2 = Tqs – Tfs
Onde: • Tqe e Tqs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do fluido quente • Tfe e Tfs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do fluido frio. Para o escoamento em contracorrente, as equações serão: ΔT1 = Tqe - Tfs ΔT2 = Tqs – Tfe
Onde: • Tqe e Tqs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do fluido quente • Tfe e Tfs são respectivamente as temperaturas de entrada e saída do fluido frio.
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Transmissão de calor no interior dos tubos. Classifica-se a transmissão de calor no interior de um tubo de acordo com os regime de escoamento em 3 tipos cujo os limites de cada tipo é definido pelo número de Reynolds. • Regime Laminar Re < 2.100 • Regime de Transição 2.100 < Re < 10.000 • Regime Turbulento Re > 10.000 No regime laminar a transferência de calor se dá principalmente por condução entre as camadas do fluido. Nos regimes de transição e turbulento a transferência de calor passa a ser principalmente por convecção forçada. Quanto maior a turbulência melhor será a transferência de calor, por este motivo, nos trocadores de calor utilizaremos acessórios, as chicanas por exemplo, que possam promover essa turbulência. O número de Reynolds, que é calculado pela equação: Re = ρV D μ
Onde: • a massa específica do fluido é ρ. • a velocidade é V; • diâmetro do tubo é D; • a viscosidade é μ .
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Trocador de Calor de Casco e Tubos
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Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente).
Trocador de Calor casco e tubos a - Um passe no casco e dois passes nos tubos.
b - Dois passes no casco e quatro passes nos tubos.
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Condições de Processo num Trocador de Calor Natureza e Características dos Fluidos As propriedades físicas de maior interesse na troca térmica são a condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico. Elas influem, juntamente com algumas variáveis geométricas e de operação, decisivamente no desempenho de um trocador de calor. Vale lembrar que os valores dessas propriedades variam em função da temperatura que, por sua vez, se altera ao longo de um trocador de calor. Na maioria das vezes, é aceitável como simplificação que se adotem os valores das propriedades à temperatura média entre a entrada e a saída. Além das propriedades físicas citadas, é preciso ter em conta características como a corrosividade, a toxidez, a periculosidade, a inflamabilidade. Para esses casos, a garantia de que não exista vazamento do fluido deve ser maior. Os cuidados para a detecção de um eventual vazamento devem ser redobrados, assim como as providências posteriores devem ser imediatas e de preferência automaticamente acionadas. Imagine o desastre numa fábrica se, num resfriador, o ácido sulfúrico fura um dos tubos e contamina a água de resfriamento do lado do casco, sabendo que o circuito da água de resfriamento é integrado a outras unidades e se trata de um circuito fechado: vai ocorrer uma verdadeira proliferação do "vírus da acidez" pelo "corpo" da fábrica toda.
Temperaturas de Operação As temperaturas de entrada e saída de um fluido num trocador de calor, chamadas de temperaturas terminais (nos extremos do trocador), dependem das exigências do processo. Elas, portanto, são em geral especificadas e vão determinar o valor do potencial térmico (a força motriz térmica) para promover a troca térmica. É importante especificar, além do valor nominal desejado, qual a faixa de tolerância dentro da qual o valor pode flutuar sem prejuízos ao processo, o que se reflete diretamente nos aspectos de operação, instrumentação e controle do processo. Por outro lado, se os valores das temperaturas terminais (ou os valores das diferenças entre elas) forem muito elevados, devem ser seguidas recomendações sobre o assunto: por exemplo, o uso de materiais de construção mais nobres, uso de juntas de expansão etc.
Pressões de Operação Como o trocador de calor é sempre um equipamento inserido numa unidade de processo, as pressões dos fluidos também dependem do resto do sistema. Em alguns casos, porém, as pressões são ditadas pelas exigências específicas do processo de troca térmica. Por exemplo, para possibilitar a condensação de certos fluidos, a pressão de operação tem que ser alta, se quer usar água como fluido de resfriamento. Ou então, no caso de um trocador de calor de placas, a pressão de operação não pode ser muito elevada, pela dificuldade de prover uma resistência mecânica estrutural às placas e às vedações entre elas. Para as situações em que as pressões são muito elevadas, deve-se consultar normas específicas a respeito. A espessura da parede deve ser naturalmente maior e sistemas de segurança adequados precisam ser previstos. 6
Um outro aspecto sobre a pressão diz respeito à contaminação dos fluidos num acidente de ruptura dos tubos. Se, por motivos de processo ou de segurança, é preferível que o fluido A seja contaminado pelo fluido B e não vice-versa, como o caso do resfriamento do ácido sulfúrico (fluido A) por água (fluido B), então opera-se com uma pressão maior no lado do fluido B do que a do A. Assim, quando ocorre um vazamento pelos tubos, o fluido B, que tem pressão maior, passa para o lado do fluido A e não o oposto. Mas é importante lembrar que num trocador de calor há uma queda de pressão entre a entrada e a saída e, para aproveitar o fato acima, a pressão de saída do B (a mínima do B no trocador) tem que ser maior que a pressão de entrada do fluido A (a máxima do A no trocador).
Velocidade de Escoamento A velocidade de escoamento influi em quatro aspectos fundamentais: a eficiência de troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de sujeira. Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia. Conseqüentemente, a área do trocador necessária para uma dada carga térmica será menor. Nesse aspecto, é desejável que a velocidade de escoamento seja alta. Mas essa turbulência intensa também implica num atrito maior e uma perda de carga maior, podendo até ultrapassar valores máximos admissíveis . Nesse aspecto, não é desejável uma velocidade de escoamento exagerada. Então, há um compromisso entre melhorar a eficiência de troca térmica sem acarretar uma perda de carga excessiva. A busca desse compromisso constitui um dos principais objetivos no projeto de um trocador de calor. Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à erosão e ao depósito de sólidos. Uma velocidade muito pequena pode favorecer o depósito de sujeira e a dificuldade da sua remoçao. Por outro lado, uma velocidade exageradamente alta pode acarretar uma erosão intensa; se o fluido é corrosivo ou contém sólidos em suspensão, o efeito será mais danoso ainda. Então, de novo, a velocidade de escoamento não pode ser nem muito alta nem muito baixa. Há, na literatura, faixas de valores práticos, recomendados para velocidade de escoamento num trocador de calor: Fluido Gases e vapores Líquidos com viscosidade < 50 cP Líquidos c/ viscosidade entre 50 e 1000 cP Líquidos com viscosidade > 1000 cP Água de resfriamento nos tubos
Velocidade Recomendada (m/s) 25 a 30 1a3 0,5 a 2 0,2 a 1 1 a 2,5
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Perda de Carga Admissível A queda de pressão (ou mais precisamente a variação de energia expressa em altura manométrica) entre a entrada e a saída é conhecida como a perda de carga num trocador de calor. Para cada fluido num dado processo, é estipulado um valor de perda de carga máximo ou perda de carga admissível, por várias razões. Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional de energia elevado, devendo portanto ser evitada. Além disso, não se deve esquecer que o trocador de calor é sempre um equipamento componente de uma unidade de processo. O fluido que sai dele, em muitas vezes, vai ainda passar por tubulações e outros equipamentos a jusante, com suas respectivas perdas de carga; portanto na saída do trocador de calor, o fluido precisa ter ainda uma pressão suficiente para vencer as perdas subseqüentes. Conforme já destacado quando se tratou da velocidade de escoamento, a perda de carga está intimamente associada a esta variável. Na literatura, há faixas de valores usuais para perdas de carga admissíveis:
Fluido Gases e vapores em operações a pressões altas ou intermediárias Gases e vapores em operações a pressões próximas à atmosférica ou sob vácuo Líquidos
Perda de Carga Admissível (psi) 2 a 10
0,3 a 2 10 a 25
Um aspecto muito importante que, às vezes, pode ser esquecido é o seguinte. Para um trocador de calor em geral, deve-se trabalhar com um valor de perda de carga o mais próximo possível do admissível. Por exemplo, não é interessante operar um trocador de calor com perda de carga de 3 psi, se a admissível é de 10 psi. Isso se deve exatamente ao que já foi exposto anterirormente: quanto maior a intensidade de turbulência, melhor o desempenho de troca térmica. Então, para um trocador de calor, deve-se usufruir de toda a dissipação de energia por atrito prevista, sem contudo ultrapassar o valor admissível.
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Fator de Sujeira O depósito de materiais indesejáveis na superfície de um trocador de calor aumenta a resistência à transferência de energia, diminuindo a eficiência de troca térmica e pode obstruir a passagem do fluido, aumentando a sua perda de carga. Um dos modos adotados na prática para saber o grau de depósito num trocador de calor em operação é acompanhar, ao longo do tempo de uso, as temperaturas e as pressões terminais do trocador. À medida que o depósito aumenta, a eficiência de troca térmica cai (observado através das temperaturas) e a diferença de pressões cresce. O processo de formação do depósito é em geral complexo. Pode ser devido à sedimentação, à polimerização, à cristalização, ao coqueamento, à corrosão, ou a causas de natureza orgânica (como algas). Esses mecanismos podem ocorrer independente ou paralelamente. A taxa de depósito é afetada pelas condicões de processo do trocador tais como a natureza dos fluidos, a velocidade de escoamento, as temperaturas dos fluidos, a temperatura na parede, o material de construção do equipamento, o grau de acabamento da superfície como a rugosidade ou tipo de revestimento interno. Para facilitar a quantificação desse efeito que conforme visto é complicado, costuma-se usar um parâmetro definido como fator de incrustação ou fator de sujeira ("fouling factor"). Dimensionalmente é o inverso do coeficiente de transporte de energia por convecção. Logo, quanto maior o fator de incrustação, maior o depósito, maior a resistência à troca térmica. Faixas de valores típicos desse fator podem ser encontrados na literatura para diversos casos de operação comuns. Esses valores são interessantes e úteis porque servem de orientação geral. Mas como o depósito é um processo complexo, depende de uma série de variáveis e portanto difícil de ser previsto, os valores típicos da literatura devem ser usados com muita reserva e cuidado, pois nunca vão refletir a realidade específica de um processo. Os valores mais confiáveis são os obtidos experimentalmente para um dado caso particular. O fator de incrustação deve ser considerado a priori num projeto de trocador de calor, pois a área de troca térmica calculada deve ser suficiente para as necessidades do processo quando o trocador está novo (limpo) e quando está em operação há algum tempo (já com sujeira). Como o valor desse fator é difícil de ser previsto, essa deficiência constituirá uma das causas principais da imprecisão no projeto de um trocador de calor. A experiência profissional nesse aspecto será fundamental.
Localização dos Fluidos Para um trocador de calor do tipo casco-tubos, uma das decisões importantes a ser tomada no início do projeto é definir qual dos fluidos deve circular pelo lado interno (feixe tubular) e qual pelo lado externo (casco). Uma localização mal feita implica num projeto não otimizado e numa operação com problemas freqüentes. Os aspectos básicos levados em consideração referem-se à limpeza do equipamento, à manutenção, a problemas decorrentes de vazamento e à eficiência de troca térmica. Muitos dos fatores que influem nesses aspectos já foram abordados anteriormente. 9
Para decidir a localização dos fluidos, deve-se considerar: (a) Fluido com maior tendência de incrustação:
A velocidade de escoamento pelo lado dos tubos (escoamento em trecho reto ou em U) é mais uniforme e mais fácil de ser controlada. Por outro lado no casco, devido aos desvios, a velocidade não é regular em todo o trajeto; pode haver regiões no casco com velocidades bem pequenas ou até zonas mortas. Como a velocidade de escoamento influi no depósito, conforme visto, recomenda-se circular o fluido mais sujo (com maior fator de incrustação) no lado dos tubos. Além disso a limpeza mecânica e química é bem mais fácil pelos tubos. No casco, a limpeza mecânica às vezes é impraticável e a limpeza química pode ser não tão eficiente pela existência de zonas de baixa turbulência. Vale lembrar que a água de resfriamento é um dos fluidos industriais com alto fator de sujeira e portanto, de modo geral, circula preferencialmente pelos tubos. Mesmo para a água de resfriamento tratada, cujo fator de sujeira já não é tão elevado, recomenda-se em geral a sua circulação pelos tubos. (b) Fluido corrosivo:
É melhor circular o fluido corrosivo no lado dos tubos. Pois, assim, "só se corrói" o tubo, que pode ser protegido com uso de material de construção mais resistente ou até ser revestido internamente, se for o caso. O material de construção e o grau de acabamento do casco poderão então ser diferentes e mais brandos. (c) Fluido com temperatura ou pressão muito elevadas:
Para serviços de alta temperatura ou alta pressão, os cuidados com o material de construção e vedação têm que ser maiores. Portanto, pelo mesmo motivo anterior, é preferível circular o fluido nessas condições no lado dos tubos. Vale ressaltar que o critério exposto não implica em que o fluido com maior temperatura ou maior pressão do que o outro necessariamente deve ser locado nos tubos. Mas se o valor da temperatura ou da pressão for significativamente apreciável, requerendo material de construção especial ou outros cuidados especiais, então esse fluido merece uma preferência de circular pelos tubos. (d) Fluido com menor velocidade de escoamento:
Uma velocidade baixa de escoamento prejudica a troca térmica. Devido à possibilidade de colocação conveniente de chicanas transversais, é mais fácil provocar uma turbulência intensa no casco do que no lado dos tubos. Logo, mesmo que a vazão de escoamento seja baixa, há um recurso construtivo (chicana) para incrementar a troca térmica no lado do casco. Então, quando a diferença entre as vazões é significativa, em geral é mais econômico circular o fluido de menor vazão no lado do casco e o de maior vazão no lado dos tubos. 10
(e) Fluido mais viscoso:
Um fluido com alta viscosidade também dificulta a troca térmica. Assim pelo mesmo motivo do item anterior, circula-se o fluido mais viscoso no lado do casco onde é mais fácil intensificar a turbulência. Mas se a diferença de viscosidades entre os dois fluidos for pequena (por exemplo, a de um fluido é de 0,5 cP e do outro 1 cP), nesse caso, torna-se indiferente a sua locação quanto ao critério de viscosidade. (f) Fluidos letais e tóxicos:
Para operação desses fluidos, por motivos de segurança, a vedação é fundamental. A estanqueidade é mais simples de ser garantida no lado dos tubos, usando um espelho (chapa onde estão consolidados os tubos) duplo por exemplo. Então os fluidos periculosos devem circular preferencialmente pelo lado dos tubos. (g) Fluido com diferença entre as temperaturas t erminais muito elevada:
Se a diferença entre as temperatuas de entrada e saída for muito alta (maior que 150 oC) e se houver mais de uma passagem pelo lado dos tubos, recomenda-se circular esse fluido pelo casco. Esse procedimento minimiza problemas construtivos causados pela expansão térmica. Em muitos casos, podem ocorrer situações conflitantes, de acordo com as recomendações prescritas acima. Por exemplo, um dos fluidos é muito incrustante e o outro escoa sob temperatura muito elevada; segundo os critérios mencionados, os dois fluidos deveriam circular pelo lado dos tubos. Uma prioridade que serve de orientação é dada pela seguinte relação onde o fluido de posição anterior é em geral alocado nos tubos: Água de resfriamento; Fluido corrosivo ou fluido com alta tendência de incrustação; Fluido menos viscoso; Fluido de temperatura e pressão elevadas; Fluido de maior vazão.
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Conclusão
Os trocadores de calor desempenham papel importante nas diversas áreas do conhecimento e pesquisa científica e aplicações tecnológicas. Na indústria são usados para aquecer ou resfriar fluidos para usos diversos. São encontrados sob a forma de torres de refrigeração, caldeiras, condensadores, evaporadores, leito fluidizado, recuperadores... Dispositivos de conforto ambiental e conservação de alimentos, como condicionadores de ar , aqucedores de água domésticos e frigoríficos se baseam fundamentalmente em trocadores de calor.A produção de bebidas destiladas utiliza esta tecnologia; alambiques, por exemplo.A comercialização de outras, ídem; chopeiras, por exemplo.A manutenção da temperatura adequada ao funcionamento dos motores de automóveis é conseguida através de radiadores.Podemos imaginar uma infinidade de aplicações para este dispositivo; a transferência otimizada e a conservação de energia sob a forma de calor é um desafio constante; trocadores de calor mais eficientes e baratos uma necessidade. Não poderíamos deixar de lembrar que a facilidade de manutenção é uma condicionante do projeto, já que deverá ser executada periodicamente para garantir a eficiência do trocador; incrustações aumentam a resistência térmica, diminuem a taxa de troca de calor, portanto devem ser retiradas.
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Referências Bibliograficas http://www.ucs.br/ccet/demc/craltafi/TrocadoresdeCalor.pdf http://www.demec.ufmg.br/disciplinas
http://collatio.tripod.com
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