M52 - Trocadores de Calor Tipo Placas

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 2

INTRODUÇÃO TROCADORES DE CALOR DE PLACAS (PHE) 2.1 Descrição dos equipamentos Placas 2.2 2.2.1 Placa Soldada 2.2.2 Placa semi soldada 2.2.3 Placa de Grafite Placa de canal largo 2.2.4 2.2.5 Placa Dupla

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VANTAGENS E DESVANTAGENS 3.1 Principais vantagens do PHE 3.2.1 Limpeza 3.2.2 Flexibilidade 3.2.3 Econiomia 3.2.4 Rendimento térmico 3.2.5 Turbulência Vazamento nas gaxetas 3.2.6 Principais desvantagens do PHE 3.2 3.2.1 Temperatura 3.2.2 Perda de carga 3.2.3 Mudança de fase 3.2.4 Fluidos 2.2.5 Vazamento nas placas 2.2.5 Dimensionamento

4 CONCLUSÕES REFERÊNCIA

05 06 09 09 09 10 10 10 11

12 12 12 12 12 12 12 13 13 13 13 13 14 14 14

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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 caracte rísticas 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 industria s 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 do is 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, el es cruzam as placas separados um do outro. Esse movimento, aliado ao alto grau de t urbulência nos canais, faz com que haja uma grande troca de

2.1 Descrição dos equipamentos

 A seguir serão apresentados os componentes básicos de umtrocador 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 ³w ashboard´ (tábua de lavar) ou as ³chevron´.   As washboard possuem sulcos retos com espaçamentos de uma canaleta à outra, permitindo o escoamento, já as chevrons possuem um formato em ³V´, que, ao intercalada com outra placa chev ron, 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 6 25 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 m 2 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 ³grades 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 ( f ouling  f actors) 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

o

C é necessário o uso de

gaxetas especiais, pois as de material elastomérico não suportam ta l 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 fluid o 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 duplotubo 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 mesm os. 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

Journalof 

ChemicalEngineering, 27 de Maio de 2002. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ. Biblioteca Central. Normas para apresentações de trabalhos: gráficos. Curitiba: Editora da UFPR, 2000. v. 10.