Termodinâmica

TIPOLOGIAS DE TROCADORES DE CALOR Existem muitos tipos de trocadores de calor e várias maneiras de classificá-los. Neste artigo, vamos classificá-los com base em: 1. Classificação por construção Contato direto Contato indireto Trocadores de calor tubulares Trocadores de calor de placas 2. Classificação por operação Trocadores de calor líquido-líquido Trocadores de calor líquido-gás Trocadores de calor gás-gás Trocadores de calor para sólidos a granel Classificação por construção Os trocadores de calor podem transferir energia por contato direto, ou seja, misturando completamente os fluidos, sendo as torres de resfriamento um dos principais exemplos. No entanto, esse sistema pode resultar na transmissão de contaminantes entre os dois fluidos, tornando-o contra-indicado para a maioria dos sistemas de resfriamento, recuperação de energia e tratamento de gases, líquidos e sólidos a granel. Nesses casos, onde é necessário manter os dois fluidos separados, utiliza-se um sistema de contato indireto. Essa construção envolve um elemento, geralmente placas ou tubos, que atua como uma parede e mantém os dois fluidos separados. Dentro da categoria de trocadores de calor por contato indireto, existe um caso especial: os recuperadores de calor rotativos, onde os dois fluidos percorrem o mesmo espaço, mas de forma alternada. Isso pode causar uma leve mistura, mas essa mistura é considerada praticamente irrelevante. Focando nas duas principais famílias de contato indireto, as de placas e as de tubos, pode-se afirmar que, para a mesma potência, as placas conseguem um alto coeficiente de transferência de calor em um espaço muito compacto, mas, por outro lado, reduzem a superfície de passagem dos fluidos, tornando-as mais suscetíveis ao entupimento. Já os tubos oferecem uma superfície de passagem maior, tornando-os altamente recomendados em ambientes sujos, empoeirados, com fluidos pegajosos, viscosos ou até com sedimentos. Eles são mais difíceis de obstruir e, portanto, também reduzem os custos de manutenção e limpeza.   Trocador de calor de tubos Os trocadores de calor tubulares são compostos por tubos cilíndricos, planos ou ovais, e sua concepção é escolhida com base nas características específicas de cada sistema. Dentro dessa família, encontramos: Trocadores de calor com tubos lisos. Como eles possuem uma superfície de troca muito similar, tanto no interior quanto no exterior dos tubos, são uma construção muito comum quando lidamos com fluidos com valores de calor específico semelhantes. Assim, em aplicações entre dois fluxos de ar, podemos falar dos clássicos trocadores de calor com tubos lisos, enquanto em aplicações com água, lama, leite ou sucos, podemos falar de trocadores tubulares, multitubulares, pyrotubulares, coaxiais ou de tubo duplo, além de trocadores de calor de casca e tubo. Trocadores de calor com tubos e aletas. São projetados especificamente para compensar a transferência de energia entre dois fluidos com valores de calor específico diferentes. Essa situação é comum em sistemas onde trabalhamos com um fluxo de gás e outros fluidos como água superaquecida, óleo térmico, refrigerante (amônia, R134, R410a, etc.) ou vapor. Por exemplo, o calor específico do gás é cerca de 1,214 kJ/m³·K, enquanto o da água é 4,186 kJ/m³·K. Isso significa que a água pode ceder quase quatro vezes mais calor do que o ar pode absorver, e a forma de corrigir isso é aumentando a superfície de troca do lado do ar, utilizando elementos chamados aletas, que podem ser placas contínuas transversais aos tubos ou placas helicoidais enroladas ao redor dos tubos. Trocador de calor de placas Os trocadores de calor de placas são compostos por placas planas ou onduladas. Dentro dessa categoria, encontramos diferentes construções para várias aplicações: Trocador de calor com placas pillow. Tecnologia emergente, muito versátil e eficiente, com uma superfície em forma de travesseiro, que lhe dá o nome de “pillow”. Sua concepção permite não apenas lidar com fluidos viscosos, pegajosos e com sedimentos, mas também transferir energia para sólidos granulados. Isso faz dele uma excelente alternativa aos leitos fluidizados, reduzindo o consumo de energia, minimizando o desperdício, diminuindo a poluição ambiental e, ao aplicar a energia uniformemente, melhorando a qualidade do produto final. Trocador de calor de fluxo cruzado. Sistema de placas amplamente utilizado na recuperação de energia, em áreas como climatização, integrados diretamente em centrais de tratamento de ar. É um excelente sistema para alcançar altos valores de eficiência, mas sempre é necessário lembrar que exige filtros de ar avançados, já que sua forma compacta dificulta a limpeza. Trocador de calor com placas soldadas. As placas são unidas por soldagem, o que impede a limpeza interna e limita sua aplicação a instalações sem contaminação. Trocadores de calor com placas e juntas. O sistema de juntas permite desmontar, limpar e substituir as placas. Isso torna o sistema mais versátil do que o soldado, mas os canais por onde os fluidos passam continuam pequenos e podem facilmente se entupir, tornando-os contra-indicados para fluidos viscosos, pegajosos ou com sedimentos. Classificação por operação Os trocadores de calor são projetados para transferir energia de maneira otimizada. Para maximizar sua eficiência, é essencial considerar o tipo de fluido e suas propriedades. Um exemplo disso é o caso anterior, onde observamos a troca de calor entre o gás com calor específico de 1,214 kJ/m³·K e a água com calor específico de 4,186 kJ/m³·K. Da mesma forma, encontramos: Trocadores de calor líquido-líquido. Esses incluem os trocadores de placas pillow, placas soldadas, placas e juntas, tubos concêntricos, tubos coaxiais e pyrotubulares. Trocadores de calor líquido-gás. Esses incluem os trocadores de calor com tubos lisos, tubos com aletas contínuas e tubos com aletas helicoidais. Trocadores de calor gás-gás. Esses incluem os trocadores multitubulares, com tubos lisos e de fluxo cruzado. Trocadores de calor para sólidos a granel. Utilizam a tecnologia Pillow Plate. Pequenos detalhes construtivos podem aumentar ou diminuir as turbulências, aumentando os coeficientes de troca térmica e fazendo com que um mesmo tipo de equipamento apresente diferenças substanciais entre um fornecedor e outro. Por isso, o investimento em P&D se tornou um fator-chave para a evolução de um setor cada vez mais reconhecido por sua contribuição em termos de eficiência, economia e sustentabilidade.