m52 - trocadores de calor tipo placas
Post on 03-Jul-2015
697 Views
Preview:
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS CURITIBA
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
VINICIUS WISTUBA
TROCADORES DE CALOR DO TIPO PLACAS
CURITIBA
NOVEMBRO - 2010
VINICIUS WISTUBA
TROCADORES DE CALOR TIPO PLACAS
Trabalho apresentado como requisito
parcial à aprovação na disciplina de
máquinas térmicas do curso técnico em
mecânica, ministrado pelo Prof. Ivan
Darwiche Rabelo, do Departamento
Acadêmico de Mecânica, do Campus
Curitiba, da Universidade Tecnológica
Federal do Paraná.
CURITIBA
NOVEMBRO - 2010
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Diferentes tipos de placas..........................................................................06
Figura 2: Representação de um PHE com suas entradas e saídas..........................07
Figura 3: Componentes do trocador de calor tipo plca..............................................08
Figura 4: Diferença quanto a forma...........................................................................09
Figura 5: Placa soldada.............................................................................................10
Figura 6: Placa semi soldada.....................................................................................10
Figura 7: Placa de Grafite..........................................................................................10
Figura 8: Placa de Canal Largo.................................................................................11
Figura 9: Placa Dupla................................................................................................11
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 052 TROCADORES DE CALOR DE PLACAS (PHE) 06
2.1 Descrição dos equipamentos 09
2.2 Placas 09
2.2.1 Placa Soldada 09
2.2.2 Placa semi soldada 10
2.2.3 Placa de Grafite 10
2.2.4 Placa de canal largo 10
2.2.5 Placa Dupla 11
3 VANTAGENS E DESVANTAGENS 123.1 Principais vantagens do PHE 12
3.2.1 Limpeza 12
3.2.2 Flexibilidade 12
3.2.3 Econiomia 12
3.2.4 Rendimento térmico 12
3.2.5 Turbulência 12
3.2.6 Vazamento nas gaxetas 13
3.2 Principais desvantagens do PHE 13
3.2.1 Temperatura 13
3.2.2 Perda de carga 13
3.2.3 Mudança de fase 13
3.2.4 Fluidos 14
2.2.5 Vazamento nas placas 14
2.2.5 Dimensionamento 14
4 CONCLUSÕES 15REFERÊNCIA 16
1 INTRODUÇÃO
A busca por trocadores de calor cada vez mais compactos não é recente, à anos as
industrias, principalmente aeroespaciale automotiva, buscam trocadores de calor
mais compactos, com alto rendimento e que sejam baratos. Nessas industrias torna-
se necessário o uso de trocadores de calor de placas.
O termo trocador de calor por placas, ou Plate Heat Exchanger (PHE) é
geralmente confundido com um grupo específico de tracadores de calor de placas,
os trocadores de placas de gaxeta. Entretanto existem mais tipos de trocadores do
tipo placas além dos gaxetados, com diferentes tipos de vedação, utilizados para
diferentes aplicações, como veremos na sequência.
Os PHEs foram introduzidos comercialmente na década de 30 para atender às
exigências de higiene e limpeza das industrias alimentícias e farmacêuticas, pois
eles podem ser facilmente desmontados, limpos e inspecionados. Entretanto,
contínuos aperfeiçoamentos tecnológicos tornaram o PHE um forte concorrente aos
tradicionais trocadores de casco-e-tubos ou duplo-tubo em várias outras aplicações
industriais, devido ao seu tamanho compacto. Atualmente os PHEs são
extensamente empregados em diversos processos de troca térmica entre líquidos
com pressões e temperaturas moderadas (até 1,5 MPa e 150 oC) quando se deseja
alta eficiência térmica.
Nesse trabalho serão descritos, em detalhes, os componentes e os tipos de
trocadores de calor tipo placa, mostrando as características de cada um, assim
como suas aplicações e suas vantagens.
O principio básico dos PHE’s é promover a troca de calor entre dois tipos de
fluídos, um quente e outro resfriado, passando-os por placas com diversos canais,
geralmente angulados, promovendo uma grande turbulência dos fluídos, resultando
numa maior eficiência.
2 TROCADORES DE CALOR DE PLACAS
Os primeiros trocadores de calor de placas surgirão para a pasteurização de
leite. Eles são amplamente utilizado nas industrias de aliomentos e moderadamente
utilizados nas industrias químicas.
A patente desse tipo de trocador de calor peretence à Ralf Blumgren, antigo
colaborador da Alfa Laval, empresa sueca criada pelo grande engenheiro Gustaf de
Laval.
Esses trocadores de calor consistem de diversas placas prensadas,
aparafusadas, incluindo uma placa rigida no fim para conter a pressão.
Figura 1. Diferentes tipos de placas
Para entender o funcionamento de um trocador de calor de placas é preciso
entender os caminho que são percorridos pelos fluídos durente o processo.
Existem diferentes meios pelos quaios o fluído pode percorrer, dependendo da
configuração das placas escolhidas, mas basicamente existem 4 tubos de entrada,
dois para entrada e saída de fluidos aquecidos e dois para entrada e saída de
fluídos frio e resfriado, como mostra a figura abaixo.
Figura 2. Representação de um PHE
Após a entrada dos fluídos, um quente e outro frio, eles cruzam as placas
separados um do outro. Esse movimento, aliado ao alto grau de turbulência nos
canais, faz com que haja uma grande troca de
2.1 Descrição dos equipamentos
A seguir serão apresentados os componentes básicos de um trocador de calor
de placa.
Figura 3. Componentes de trocador
2.2 Variações de placas
Sendo o principal componente do trocador de calor, a configuração utilizada da
placa e seu acabamento são os parâmetros que vão assegurar um melhor
desenpenho para cada tipo de processo.
2.2.1 Variação quanto a forma
As Variações mais utilizadas são as chamadas “washboard” (tábua de lavar)
ou as “chevron”. As washboard possuem sulcos retos com espaçamentos de uma
canaleta à outra, permitindo o escoamento, já as chevrons possuem um formato em
“V”, que, ao intercalada com outra placa chevron, permite um escoamento sem
muita perda de carga.
Figura 4. Diferença quanto a forma.
2.3 Variação quanto ao material e acabamento
2.3.1 Placas soldadas
Figura 5. Placa soldada
As placas completamente soldadas ampliam suas limitações de temperatura e
pressão até 350°C (650°F) e 40 bar 625 psig.
2.3.2 Placas semi-soldada
Figura 6. Placa Semi soldada
Os canais soldados para fluido de processo permitem o trabalho com
substâncias agressivas e ampliam a faixa de pressão. A exposição das gaxetas é
mínima no lado soldado.
2.3.3 Diabon Graphite® não metálicas
Figura 7. Placa de Grafite
Feitas de um composto de grafite fundido e fluoroplástico, esta unidade oferece
excelente resistência ao ácido clorídrico (AlCl3) e outros fluidos corrosivos.
Diferentemente do grafite tradicional, o Diabon F® não possui porosidade nem
permeabilidade. Resiste a rachaduras e rupturas.
2.3.4 Placa de canal largo
Figura 8. Placa de Canal Largo
Com canais de 12 mm, esta placa é ideal para fluídos que contêm fibras ou
material particulado, o que evita o entupimento.
2.3.5 Placas duplas
Figura 9. Placas Duplas
Composto de placas prensadas simultaneamente e soldadas a laser. Extrema
segurança contra a mistura dos fluídos e contaminação.
3 VANTAGENS E DESVANTAGENS
Mesmo sendo um trocador versátil, compacto e de alta eficiência térmica, o
PHE possui limitações de operação impostas pelo uso de gaxetas na sua grande
maioria. A seguir são apresentadas as principais vantagens e desvantagens deste
tipo de trocador de calor.
3.1 Principais Vantagens dos PHEs
3.1.1 Limpeza
Como o PHE é desmontável, é possível limpar e inspecionar todas as partes
em contato com os fluidos. No processamento de produtos alimentícios ou
farmacêuticos esta característica é fundamental.
3.1.2 Flexibilidade
Os PHEs são muito flexíveis; adicionando ou removendo placas eles podem
ser redimensionados para novas condições de processo. A área de troca térmica de
um PHE pode variar entre 0,1 e 2500 m2 dependendo do tipo e do número de
placas.
3.1.3 Economia
Como os PHEs são compactos, podem ser usados materiais mais nobres na
fabricação das placas, o que seria proibitivo em trocadores mais robustos como o
casco-e-tubos. O espaço para instalação é também bastante reduzido para os
PHEs. Um mesmo pedestal pode até acomodar mais de uma seção de troca térmica
utilizando placas especiais chamadas “grades conectoras”, essenciais nos
processos de pasteurização onde o fluido de processo é aquecido e depois resfriado
no mesmo trocador.
3.1.4 Rendimento Térmico
Os PHEs são trocadores de alta eficiência térmica, sendo possível obter
diferenças de temperatura de até 1 oC entre os fluidos.
3.1.5 Turbulência
As placas corrugadas aumentam a turbulência do escoamento dentro dos
canais. Desta forma, é possível obter o regime turbulento de escoamento com
valores de número de Reynolds da ordem de 20 a 400 dependendo do tipo de placa
(vale lembrar que o valor mínimo de Reynolds para escoamento turbulento em tubos
lisos é 2.300). A turbulência também reduz a formação de incrustações pois mantém
os sólidos em suspensão. Os fatores de incrustação (fouling factors) para os PHEs
são aproximadamente dez vezes menores daqueles adotados para os trocadores
casco-e-tubos.
3.1.6 Vazamentos nas gaxetas
As gaxetas possuem respiros que impedem que os fluidos se misturem no caso
de alguma falha, o que também facilita a localização de vazamentos.
3.2 Principais Desvantagens dos PHEs
Pressão: pressões superiores a 1,5 MPa não são toleradas, pois ocasionam
vazamentos nas gaxetas. Existe a possibilidade de soldar as placas umas às outras
para operar sob altas pressões, como nos trocadores a placas brazados, mas o PHE
perde a sua flexibilidade e não pode mais ser limpo internamente.
3.2.1 Temperatura
Para que o PHE possa trabalhar acima de 150 oC é necessário o uso de
gaxetas especiais, pois as de material elastomérico não suportam tal condição.
3.2.2 Perda de Carga
Devido às placas corrugadas e ao pequeno espaço de escoamento entre elas,
a perda de carga por atrito é alta, o que eleva os custos de bombeamento. Para
diminuir a perda de carga pode-se aumentar o número de passagens por passe para
que o fluxo seja dividido em um número maior de canais. Desta forma a velocidade
de escoamento dentro dos canais será menor, reduzindo o fator de atrito. Todavia,
isto também reduzirá o coeficiente convectivo de troca térmica e a eficiência do
trocador.
3.2.3 Mudança de Fase
Em casos especiais os PHEs podem ser usados em operações de
condensação ou de evaporação, mas eles não são recomendados para gases e
vapores devido ao espaço reduzido dentro dos canais e às limitações de pressão.
3.2.4 Fluidos
O processamento de fluidos de alta viscosidade ou contendo materiais fibrosos
não é recomendado por causa da alta perda de carga e de problemas de
distribuições de fluxo dentro do PHE. Deve-se verificar ainda a compatibilidade entre
os fluidos e o material de fabricação das gaxetas.
3.2.5 Vazamentos nas placas
A fricção entre placas pode desgastar o metal e formar pequenos furos de
difícil localização. Como precaução, é aconselhável pressurizar o fluido de processo
para que, no caso de vazamento na placa, o fluido de utilidade não o contamine.
3.2.6 Dimensionamento
Os métodos rigorosos de dimensionamento dos PHEs ainda são propriedade
dos fabricantes e são específicos aos modelos comercializados. Em contrapartida,
métodos genéricos de dimensionamento para trocadores casco-e-tubos ou duplo-
tubo encontram-se disponíveis na literatura aberta. Recentemente os presentes
autores apresentaram uma metodologia para a seleção da configuração ótima no
projeto de PHEs.
4 CONCLUSÕES
Mesmo com uma gama tão grande de possibilidades para se trabalhar com os
trocadores de calor do tipo placa, a maior dificuldade está na hora de projetá-los,
pois as empresas que os fabricam dificultam o acesso às informações necessárias
para para o dimensionamento e configuração dos mesmos.
Em contra partida observamos o crescente avanço que esse mercado tem pela
frente, costando que a cada dia o conhecimento sobre materiais poliméricos cresce
e as tecnologias de novos materiais avançam cada vez mais.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Informação e
documentação- Trabalhos Acadêmicos – Apresentação: NBR 14724. Rio
de Janeiro, 2002. 6 p.
HESSELGREAVES, J.E. Pergamon. Compact Heat Exchangers – Selection,
Design and Operation . 2001.
GUT, JORGE A.W. & PINTO, JOSÉ M. Conhecendo os Trocadores
de Calor a Placas. http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm (Acesso em 11
de novembro de 2011).
GUT, J.A.W. & PINTO, J.M. A screening method for the optimal selection
of plate heat exchanger configurations. Brazilian Journal of Chemical
Engineering, 27 de Maio de 2002.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ. Biblioteca Central. Normas para
apresentações de trabalhos: gráficos. Curitiba: Editora da UFPR, 2000. v. 10.
top related