Dimensionamento do trocador de calor

Tipos de trocadores de calor dimensionados

Um **trocador de calor dimensionado** é uma máquina que transfere calor de um fluido para outro. Aplicações industriais produzem vários tipos de trocadores de calor, que são classificados de acordo com sua construção, disposição de fluxo e aplicação.

• Tipos de trocadores de calor

  Esses trocadores operam por fluxo concorrente ou contracorrente de fluidos. Tipos comuns de trocadores de calor incluem tubos de casco, placas, fluxos cruzados, tubos aletados, refrigerados a ar, tubos duplos e trocadores de calor em espiral.

  Aparelhos como trocadores de calor casco-e-tubo ou tubo-e-tubo contêm tubos externos e internos. O fluido quente transfere através do tubo externo enquanto o fluido frio passa pelo tubo interno. Aparelhos com placas transferem fluidos quente e frio através de uma pilha de placas corrugadas.

  Os trocadores de calor de fluxo cruzado contêm dois fluidos que fluem perpendicularmente. Os trocadores de calor com aletas contêm um elemento tubular preso a placas finas conhecidas como aletas. Nos trocadores de calor refrigerados a ar, o calor do fluido é transferido para o ar. Os refrigeradores com tubos duplos contêm um tubo interno e externo. Um fluido que flui pelo tubo interno troca calor com um segundo fluido que flui pelo tubo externo.

  Ao contrário do trocador de calor casco-e-tubo, um trocador de calor em espiral contém dois tubos em espiral localizados em uma casca cilíndrica. Um fluido flui dentro de um tubo enquanto o outro fluido flui no segundo tubo localizado adjacente ao primeiro tubo.

• Trocadores de calor compactos

  Um trocador de calor compacto possui uma grande área de superfície que também é pequena dentro de um volume unitário. As máquinas mantêm canais de fluxo de fluido próximos. Isso leva a um coeficiente de transferência de calor muito eficaz. O desempenho dos trocadores de calor é indicado pelos coeficientes de transferência de calor e quedas de pressão. Uma área de superfície maior dentro de um pequeno volume unitário aumenta a transferência de calor e diminui a queda de pressão.

  Os trocadores de calor compactos incluem trocadores de calor de placa, espiral, microcanal, tubo aletado e circuito impresso. Os CFHs são ideais para aplicações que têm espaço limitado ou precisam de alto desempenho de transferência de calor, como automotivo, refrigeração e eletrônicos de alta potência.

Especificação e manutenção de trocadores de calor dimensionados

Os trocadores de calor vêm em várias especificações para atender às diferentes necessidades industriais. O que é um trocador de calor? É um dispositivo usado para transferir calor entre dois ou mais fluidos. Ao projetar um trocador de calor, várias especificações devem ser consideradas para garantir eficiência e estabilidade.

• Função: Os projetistas devem primeiro considerar a função pretendida do trocador de calor. Isso envolve determinar o tipo de transferência de calor necessária, seja gás-para-gás, gás-para-líquido ou líquido-para-líquido. A função guiará outras especificações de projeto, como a escolha de materiais, a configuração do equipamento, o tamanho e a capacidade.
• Fluidos de trabalho: Os fluidos envolvidos no processo de troca de calor também afetarão o projeto do trocador de calor. Os fluidos de trabalho influenciarão a escolha de materiais, pois podem ser corrosivos ou a temperaturas extremamente altas.
• Disposição de fluxo: Os trocadores de calor podem ter fluidos fluindo na mesma direção (contrafluxo), perpendicularmente um ao outro (fluxo cruzado) ou até mesmo escalonados em algumas configurações (coleman). A escolha da disposição impacta o coeficiente de transferência de calor e a queda de pressão.
• Eficiência: A eficácia de um trocador de calor é sua capacidade de transferir calor sem permitir que os fluidos de trabalho se misturem. A eficácia varia de 0,3 a 0,9 dependendo do tipo de trocador (por exemplo, trocador de calor de casco) e do projeto, com números altos indicando melhor desempenho.
• Dimensões e peso: Esses fatores são importantes nos requisitos de instalação e suporte. Os trocadores de calor grandes e pesados podem precisar de suporte estrutural adicional para permanecerem seguros no lugar (Wang). Além disso, os trocadores de calor maiores podem ter mais resistência quando os fluidos fluem através deles.
• Resistência à corrosão: Além disso, os trocadores de calor geralmente entram em contato com ambientes agressivos que podem facilmente causar corrosão. Eles podem, por exemplo, funcionar em aplicações petroquímicas ou de dessalinização de água do mar. Isso significa que seus materiais de construção devem ter a capacidade de resistir a essas condições ambientais (Maplank). Para alcançar isso, os materiais devem ser resistentes a qualquer corrosão química, proporcionando uma vida útil prolongada.

Devido a essas especificações, um trocador de calor pode exigir inspeção frequente e reparo ou substituição ocasional. Além disso, alguns fluidos podem precisar ser tratados quimicamente antes de fluir pelo trocador de calor, pois podem danificar a unidade.

Aplicação de trocadores de calor dimensionados

• Indústria HVAC: sistemas de ar condicionado centralizados para edifícios comerciais e industriais, chillers, desumidificadores, etc.
• Fabricação industrial: plantas químicas, usinas de energia, refinarias, fábricas de alimentos e bebidas, minas, etc.
• Indústria de energia: geração de energia, petroquímica, energia nuclear, energia renovável (solar, eólica) e outros campos.
• Automotivo e transporte: trocadores de calor para motores de veículos, sistemas de refrigeração de automóveis, navios, etc.
• Produção eletrônica e de semicondutores: sistemas de controle de temperatura e umidificação de salas limpas, etc.
• Campos médico e farmacêutico: produção farmacêutica, tanques de fermentação, sistemas de refrigeração médica, etc.
• Indústrias de alimentos e agricultura: processamento de alimentos, produção de produtos lácteos, armazenamento refrigerado, etc.
• Logística da cadeia de frio e refrigeração: transporte refrigerado, processamento de alimentos congelados, armazenamento a frio, etc.

Como escolher o trocador de calor do tamanho correto

Quando se trata de escolher trocadores de calor para aplicações industriais, diferentes fatores devem ser considerados, pois também auxiliarão na escolha dos tamanhos corretos dos trocadores de calor:

• Análise de fluidos:

  Antes que o trocador de calor adequado seja especificado, é essencial analisar e determinar o tipo de fluidos (fluido de transferência de calor e o fluido a ser aquecido) que fluirão pela unidade. O fluido é uma mistura monofásica ou bifásica? Além disso, também é essencial analisar as propriedades do fluido, incluindo sua temperatura, viscosidade, densidade, calor específico, condutividade térmica e pressão.

• Requisitos de processo:

  Uma série de fatores também devem ser considerados, incluindo a disposição de fluxo (contrafluxo, fluxo paralelo, fluxo cruzado), a queda de pressão permitida e se há alguma meta de recuperação de energia. A fixação desses fatores também ajudará a definir as dimensões do trocador de calor.

• Cálculo térmico:

  Com todos os fatores e parâmetros a serem considerados antes da escolha do trocador de calor agora conhecidos, os cálculos térmicos podem ser feitos para estimar a área de transferência de calor necessária. Uma série de programas de software e ferramentas podem auxiliar neste cálculo térmico.

• Seleção de equipamentos:

  Com base na área de transferência de calor e na eficiência térmica necessárias, diferentes tipos de trocadores de calor podem ser considerados. Quando se trata de escolher o trocador de calor correto, também é importante considerar os materiais de construção, as dimensões e os pesos do trocador de calor.

É essencial realizar uma análise de custos detalhada e determinar o custo geral que o trocador de calor oferece, incluindo instalação, manutenção, custos operacionais e custos futuros do ciclo de vida.

Perguntas frequentes sobre trocadores de calor dimensionados

P1: Por que é importante realizar o dimensionamento do trocador de calor?

A1: O dimensionamento do trocador de calor é essencial porque garante que o trocador de calor possa transferir calor adequadamente entre os fluidos, mantendo a eficiência do sistema, minimizando custos e evitando possíveis problemas operacionais.

P2: Quais são os métodos usuais de projeto ou dimensionamento de trocadores de calor?

A2: Os métodos comuns de projeto de trocadores de calor incluem o método de fluxo concorrente, o método de fluxo contracorrente, o método de fluxo cruzado e o método de fluxo misto. Basicamente, são disposições de fluxo de fluido que permitem a transferência de calor entre dois fluidos em movimento em um trocador de calor.

P3: Quais são alguns dos desafios no dimensionamento de trocadores de calor?

A3: Alguns desafios no dimensionamento de trocadores de calor incluem equilibrar o custo com o desempenho, lidar com propriedades de fluido incertas, gerenciar a troca entre compacidade e queda de pressão, alcançar a ampliação de resultados de laboratório e garantir a adaptabilidade a futuras mudanças no sistema.

P4: Quais são as consequências do dimensionamento incorreto do trocador de calor?

A4: O dimensionamento incorreto do trocador de calor pode causar vários problemas, como transferência de calor inadequada, unidades superdimensionadas que aumentam os custos, maior consumo de energia, maior risco de falha do equipamento e, portanto, menor vida útil do trocador de calor.