A CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR

1.1 TROCADORES DE CALOR

              Trocador de calor é um equipamento utilizado para transferir calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas. Estes equipamentos são amplamente usados na indústria em diversas aplicações. Na indústria nuclear, a troca de calor e essencial para a geração de energia, pois através dela é possível a geração de vapor que moverá as turbinas da usina. Equipamento como geradores de vapor usados na enterfacedo sistema primário com o segundário, condensador, usado para refrigerar e condensar o vapor que sai da turbina, os aquecedores que tem como função reaquecer a água do circuito segundário para depois entrar no gerador de vapor e os trocadores de calor usado nos sistemas de remoção de calor residual são exemplos de trocadores de calor usados em centrais nucleares.

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1.1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR

           Segundo Shah e Sekulié (2003), os trocadores de calor podem ser classificados pelo dseguintes quesitos: pelo tipo de contato entre os fluidos, número de fluidos envolvidos, tipo de construção ou aranjo de fluxo.

Os trocadores de calor podem ser classificados como de contato direto e de contato indireto.  No tipo de contato direto, a transferência de calor ocorre entre dois fluidos imiscíveis, como um gás e um líquido, que entram em contato direto. As torres de resfriamento, condensadores com nebulização para vapor de água e outros vapores, utilizando pulverizadores de água, são exemplos típicos de trocadores por contato direto. No que se diz repeito ao tipo de contato entre os fluidos, o contato indireto e o tipo mais comum.

No contao indireto, os fluidos que passam pelo trocador de calor são separados por uma parede fina de algum material com alta condutividade térmica.

Quanto ao número de fluidos, é comum utilizar apenas dois fluidos do trocador de calor, chamado fluido frio e fluido quente. Entretanto nas indústrias química são empregados trocadores de três ou mais fluidos de troca, em processo químico, como, por exemplo, sistema de separação de ar, unidades de separação de hélio do ar, purificação e liquifação de hidrogênio, dentre outros.

1.1.2 TIPO DE CONSTRUÇÃO

Para qualificação desses equipamentos existe uma série de tipos de aranjos.  Os aranjos mais comuns são do tipo tubular, como saco –tubo, tubo duplo (tubos concêntricos).  Esses tipos de aranjos são os mais usados no setor nuclear, por exemplo, em geradores de vapor em centrais nucleares, que são responsáveis pela troca de calor entre o circuito de água primária e o circuito segundário. Há também pos trocadores tipo placa, compostos por um grupo de placas finas, geralmente enrugadas. Esse tipo de trocadores constumam trabalhar em baixas pressões.  

Os principais tipos de trocadores de calor são os tubulares, de tubo aletado, de placa, de placa aletada, e regenerativos.

1.1.2.1 Trocadores de calor tipo duplo tubo

Os trocadores de calor tipo duplo tubo ou duplacanalização, como o próprio nome sugere, são constituídos de dois tubos, um inserido dentro do outro, concentricamente, formando dois espaços de escoamento, um por dentro do tubo interno e outro pelo espaço anular entre os tubos internam e externo.

Figura 1.1 – Trocador de calor duplo tubo. [pic 2]

1.1.2.2 Trocadores de calor tipo casco e tubos

Os trocadores de calor tubulares são amplamente usados e fabricados em muitos tamanhos, com muitos arranjos de escoamento e em diversos tipos. Podem operar em extremo domínio de temperaturas e de pressões. A facilidade de fabricação e o custo relativamente baixo constituem a principal razão para seu emprego disseminado nas aplicações de engenharia. Um modelo comumente empregado, o trocador de casco e tubos, consiste em tubos cilíndricos montados em um casco cilíndrico, com os eixos paralelos ao eixo do casco. A Figura 1.2 ilustra este tipo de trocador de calor.

Figura 1.2 – Trocador de calor casco e tubos. [pic 3]

Os trocadores de calor casco e tubo, também chamados de multi-tubulares, são constituídos de um feixe de tubos de pequeno diâmetro (em geral ¼” a 1”) por dentro dos quais escoa um dos fluidos. O feixe é envolvido por uma carcaça de forma usualmente cilíndrica, escoando o outro fluido externamente ao feixe através do espaço determinado pela carcaça.

Na Figura 1.3 são mostradas as principais partes componentes de um trocador casco e tubos. Os principais componentes são o feixe de tubos, o casco, os cabeçotes e as chicanas. As chicanas sustentam os tubos, dirigem a corrente do fluido na direção normal aos tubos e aumentam a turbulência do fluido no casco. Há vários tipos de chicanas, e a escolha do tipo de chicana, da geometria e do espaçamento depende da vazão, da perda de carga permitida no lado do casco, das exigências da sustentação dos tubos e das vibrações induzidas pelo escoamento. São disponíveis muitas variações do trocador de casco e tubos, as diferenças estão no arranjo das correntes do escoamento e nos detalhes de construção. Discutiremos esse assunto mais tarde, juntamente com a classificação dos trocadores de calor segundo o arranjo do escoamento.

Figura 1.3 – Principais partes componentes de um trocador casco e tubos.[pic 4]

Quanto à espécie dos fluidos, podemos ter líquido para líquido, líquido para gás ou gás para gás. Os trocadores do tipo líquido para líquido são os de aplicação mais comum. Ambos os fluidos são bombeados através do trocador; a transferência de calor no lado dos tubos, e no lado do casco, ocorre por convecção forçada. Uma vez que o coeficiente de transferência de calor é alto com o fluxo do líquido, não há geralmente necessidade de aletas.

A disposição líquida para gás também é comumente empregada; nestes casos, usam-se em geral aletas no lado do tubo em que flui o gás, onde o coeficiente de transferência de calor é baixo.

Os trocadores do tipo gás para gás são adotados nos exaustores de gás e nos recuperadores de pré-aquecimento do ar nos sistemas de turbinas de gás, nos sistemas criogênicos  de  liquefação  de  gás,  e  nos  fornos  de  aço.  Geralmente  se  empregam  aletas internas e externas nos tubos, para intensificar a transferência de calor.