Neste conteúdo abordaremos:
- O que são e como funcionam os trocadores de calor?
- Quais as importâncias dos trocadores de calor?
- Quais os tipos e como escolher o ideal para seu processo?
Já pensou em reduzir os gastos energéticos em seu processo? Talvez conhecer um pouco sobre trocadores de calor seja um primeiro passo. Em nosso conteúdo de Integração Energética, apresentamos a metodologia Pinch utilizada para otimizar o aproveitamento do calor produzido no próprio processo, reduzindo os gastos com energia elétrica.
Nesse contexto, um dos principais equipamentos envolvidos nessa integração são os trocadores de calor, mas, o que são eles? Como funcionam?
Além dessas informações, também é essencial entender que existem diversos tipos de trocadores. Por isso, abordaremos suas principais características e como você pode selecionar o ideal para o seu processo.
O que são e para que servem?
Os trocadores de calor, como o próprio nome diz, são equipamentos projetados para troca ou transferência de calor de um meio para outro, sem contato direto entre eles. Na indústria, esse meio é um fluido, que pode ser um líquido ou um gás.
Um exemplo de trocador do nosso cotidiano é o ar condicionado. Ele possui um sistema de serpentinas que contém um gás refrigerante. Nesse sentido, a serpentina é responsável por separar fisicamente o ar do ambiente e o fluido, impedindo que se misturem e permitindo que troquem calor.
Existe também uma bomba que faz com que o fluido circule. Assim, quando o ar quente do ambiente entra no equipamento, perde calor para o fluido mais frio na serpentina. Como consequência, ocorre a saída de ar ambiente a uma temperatura mais baixa.
Desse modo, existem diversas aplicações para os trocadores de calor como será visto no próximo tópico. É interessante notar que ele pode ser usado não só para resfriar correntes quentes e aquecer correntes frias, que são necessidades diretas do processo. Além disso, ele é essencial para aproveitamento de energia, como ocorre na integração energética.
Importância nas Indústrias
Agora que você já entendeu o que são os trocadores de calor, você deve estar se perguntando por que são tão importantes. Assim, explicaremos a seguir um pouco mais a respeito da sua importância.
Muitas vezes nas indústrias dos mais diversos setores, a temperatura de operação dos processos é de suma importância. Isso pois é responsável pela ocorrência ou não de reações químicas, por seus rendimentos e velocidades.
Nesse sentido, os trocadores são os equipamentos termodinâmicos que tornam possível o estabelecimento das substâncias envolvidas nos processos em uma temperatura ideal, do ponto de vista da segurança e eficiência da produção. Ou seja, a partir da troca de calor entre dois fluidos postos em contato indireto, dentro do trocador, há um ajuste de temperatura da substância de interesse.
Somado a isso, ao longo de todo processo industrial, há sempre uma parcela de energia que é desperdiçada. Essa energia quase sempre vem em forma de calor, o que representa, muitas vezes, gastos adicionais.
Dessa maneira, os trocadores desempenham papel fundamental no aproveitamento energético, utilizando, por exemplo, o calor de correntes de vapor e condensado, que seriam descartadas, para aquecer substâncias de interesse do processo.
Tipos de trocadores de calor
Suponha, por exemplo, que você produza, em sua indústria, bebidas lácteas. Antes do envase de seu produto, é necessário que seja realizada uma esterilização mas, para isso, a temperatura do líquido deve atingir cerca de 145°C. Mas como atingi-la? À primeira vista, a resposta é simples: com trocadores de calor.
No entanto, apesar de todos os trocadores de calor apresentarem o mesmo princípio, existem diversos tipos e cada um deles conta com mecanismos diferentes para efetuar a troca de calor entre os fluidos. Assim, entender suas principais características é um bom começo para identificar o ideal para o seu processo. Abordaremos, então, os principais tipos de trocadores de calor: o trocador de placas, de casco e tubos e o tubular.
Trocador casco e tubos
O trocador de casco e tubos, é o trocador de calor mais utilizado em diversas condições e capacidades de operação, sendo, pois, muito versátil. Diferentemente do trocador de placas, ele é composto, como o próprio nome já diz, por dois elementos principais: o casco e uma série de tubos dispostos em seu interior.
Ao longo dos vários ductos, muitas vezes centenas, escoa um dos fluidos e, no exterior, entre o casco e os tubos, escoa um segundo. Vale ressaltar que o fluido de interesse para o qual deseja-se ajustar a temperatura pode escoar tanto dentro dos ductos internos quanto fora deles. Assim, é interessante que seja feita uma análise para verificar qual situação é a mais adequada.
Dessa maneira, como representado no esquema abaixo, essa segunda substância, geralmente vapor ou água líquida, escoa entre os tubos, ocorrendo, então, a troca térmica na superfície dos ductos. Isso mostra-se algo muito eficiente uma vez que, considerando-se o grande número de tubos presentes, a área superficial de troca térmica é extensa, o que implica uma agilidade no ajuste de temperatura.
Trocador de placas
O trocador de placas consiste em uma série de pratos paralelos, que são colocados um sobre o outro, para permitir a formação de canais de fluido. Desse modo, possui duas passagens, uma para o fluido frio e outra para o quente que circulam em sentidos opostos (contracorrente).
Como ilustrado a seguir (Esquema 2), o fluido quente passa por um dos canais, ficando restrito a um dos lados da placa. Enquanto isso, o fluido frio passa pelo outro canal, ficando restrito ao lado oposto, sendo possível, assim, a troca térmica indireta.
Fonte: savree.com
Trocador Tubular
Trocadores tubulares possuem algumas variações em termos de geometria. Talvez o exemplo mais simples seja o condensador de Liebig, empregado em colunas de destilação laboratoriais. Nesse caso, tratam-se de dois tubos concêntricos destinados à condensação da corrente de topo da destilação. O destilado escoa pelo tubo interno enquanto é resfriado e, consequentemente, condensado, pelo fluido frio do tubo externo, o qual costuma ser água.
Entretanto, para aplicações industriais, os trocadores tubulares costumam apresentar a configuração de “grampo” (hairpin). Nessa geometria, todas as conexões de entrada e saída concentram-se em uma mesma extremidade (Esquema 3). Além disso, muitas vezes, são observados mais de um tubo interno, o qual também pode contar com aletas para aumento da troca térmica.
De maneira geral, pode-se classificar os trocadores tubulares nas categorias: bitubular linear, bitubular grampo, multitubular e aletados.
Comparativo entre os tipos de trocadores de calor
Assim sendo, cada um dos tipos de trocadores apresentam suas vantagens e desvantagens, elencadas na tabela abaixo:
Como escolher o melhor para o seu processo?
Como mencionado anteriormente, os trocadores podem ser classificados em diferentes tipos dependendo da geometria do equipamento empregado para a troca de calor. Para cada tipo, existem diferentes parâmetros que afetam sua eficiência e a determinação correta desses parâmetros é o chamado “dimensionamento do trocador”.
A título de exemplo, voltando à situação hipotética das bebidas lácteas, a esterilização deve ocorrer de maneira extremamente rápida, para que as propriedades do produto sejam preservadas. Para isso, os trocadores de calor e outros parâmetros do processo devem estar muito bem dimensionados, caso contrário a esterilização não ocorrerá de maneira ideal.
Apesar da especificação dos parâmetros dos trocadores não ser uma tarefa simples, a escolha dentre os diferentes tipos apresentados é algo que pode ser pensada. Para tal, é necessário analisar as características inerentes ao processo.
Isto é, por mais que não seja muito fácil determinar o número de tubos ideal para um trocador casco e tubos, muitas vezes é possível discernir as situações em que você deve optar por esse tipo de trocador, ou um tipo placas, de maneira quase intuitiva.
Assim, as comparações apresentadas entre os trocadores servem como base para que você possa analisar qual o ideal para o seu processo. Entretanto, para ter certeza de quais as especificações (por exemplo, o tamanho) do trocador que deve ser adquirido, é necessário realizar um dimensionamento correto!
Ademais, como mencionamos, o trocador de calor é um equipamento fundamental para a integração energética. Dessa maneira, pode contribuir para a redução de custos com energia do processo como um todo, além de torná-lo mais sustentável.
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