Trocadores de calor industriais
O uso de trocadores de calor, corretamente escolhidos e projetados, em processos industriais é de importância fundamental para o setor, a fim de garantir eficiência energética e baixa pegada ambiental. Os trocadores de calor transferem energia entre dois meios diferentes. Esses meios podem ser líquidos, gases, bifásicos e, em alguns casos, até mesmo líquidos com cargas substanciais de sólidos. Os trocadores de calor industriais desempenham um papel central no setor de processamento em aplicações de recuperação de calor, aquecimento, resfriamento, condensação e evaporação, etc.
O que são trocadores de calor?
Um trocador de calor é um aparelho que transfere energia térmica de um meio para outro. Um dos meios, a uma temperatura mais alta (geralmente chamado de meio quente), liberará energia térmica e diminuirá sua temperatura, enquanto o outro meio, a uma temperatura mais fria (geralmente chamado de meio frio) do que o meio quente, receberá energia térmica e, portanto, aumentará sua temperatura.
Em alguns casos, a transferência de calor pode ser feita em contato direto, onde os meios são misturados enquanto ocorre a transferência de energia, por exemplo, em condensadores de contato direto.
Na maioria das vezes, é necessário manter os meios separados para evitar a mistura e, portanto, a contaminação entre eles. Nesses casos, é necessário encontrar uma solução técnica correta que proporcione uma boa transferência térmica e uma queda de pressão razoável, levando em consideração a possibilidade de incrustação, eventual corrosão pelo meio ou pelo ambiente, bem como aspectos econômicos, como investimento inicial (CAPEX) e custos operacionais (OPEX). Há vários tipos diferentes de trocadores de calor no mercado e a seleção do tipo correto é de importância fundamental para a eficiência energética e operacional geral, a fim de minimizar o impacto ambiental e o custo de vida útil do processo e do equipamento. Alguns dos tipos mais comuns de trocadores de calor são: - Trocadores de calor de casco e tubo; - Trocadores de calor a placas gaxetado; - Trocadores de calor tubo a tubo; – Trocadores de calor a placa soldados; – Trocadores de Calor Espiral; - Trocadores de calor lamelares, etc.
Trocadores de calor industriais
Os trocadores de calor industriais são projetados para atender aos requisitos do processo em que serão aplicados, geralmente em uma solução sob medida. Muitos fatores devem ser levados em consideração para a seleção correta, dependendo dos tipos de mídia e de suas propriedades físicas, taxas de fluxo, temperaturas, pressões, queda de pressão permitida, potencial de incrustação e eventual mídia ou ambiente corrosivo.
- Tamanho e capacidade: Os trocadores de calor industriais normalmente são feitos sob medida para uma aplicação específica. Seu tamanho e capacidade dependerão das condições do projeto, desde unidades muito pequenas com conexões pequenas, DN25, e classificações e tamanhos de baixa pressão bem abaixo de 1 m e 50 kg até unidades enormes com conexões grandes, DN650, e classificações e tamanhos de pressão muito alta, dependendo do tipo, acima de 20 m e várias dezenas de toneladas.
- Materiais: Os trocadores de calor industriais geralmente são fabricados com materiais resistentes à corrosão, como vários tipos de aço inoxidável, aço duplex ou super duplex, SMO, titânio etc., para suportar ambientes de processo severos e meios corrosivos. Se o trocador de calor usar gaxetas, elas também deverão ser escolhidas corretamente para resistir às temperaturas de operação e ser compatíveis com o meio aplicado.
- Design: O projeto dos trocadores de calor industriais é otimizado para atender às necessidades industriais da aplicação específica, incluindo - alta capacidade de transferência de calor; - resistência à pressão e à temperatura; - velocidade de fluxo e perda de pressão razoáveis; - eventuais fatores de corrosão e incrustação; - definições de material; - tipo de trocador de calor; - facilidade de manutenção e limpeza, etc.
Tipos de trocadores de calor industriais
Vários tipos de trocadores de calor são aplicáveis aos processos industriais. A seleção do mais adequado pode, às vezes, ser um desafio devido aos parâmetros específicos do processo, como taxas de fluxo, altas temperaturas e/ou pressões, meios corrosivos ou incrustantes, requisitos de área ocupada, necessidade de limpeza e tempo de inatividade para manutenção, necessidades de peças de reposição, durabilidade e expectativa de vida útil etc. Alguns dos tipos de trocadores de calor que a Erivac pode fornecer são:
Trocadores de calor a placas gaxetado
Os trocadores de calor de placas com gaxetas são um tipo de trocador de calor usado com frequência em aplicações de processos industriais em que as temperaturas e as pressões são relativamente baixas. As placas corrugadas são separadas por gaxetas, criando uma passagem multicanal para a mídia. A mídia, separada pelas placas, normalmente flui em contracorrente. O conjunto de placas com gaxetas é montado em estruturas.
Características e vantagens dos trocadores de calor a placas com gaxetas:
- Transferência de calor eficiente: O pequeno espaçamento entre os canais e as placas corrugadas garantem boas velocidades de fluxo e alta turbulência para altos coeficientes de transferência de calor e transferência eficiente de calor. A espessura muito fina da placa garante uma transferência de calor muito boa entre os meios quente e frio.
- Design compacto: Os trocadores de calor a placas têm um design compacto, devido aos altos coeficientes de transferência de calor, e ocupam menos espaço em comparação com outros tipos de trocadores de calor, o que pode ser vantajoso em alguns ambientes industriais.
- Limpeza e manutenção relativamente fáceis: Os trocadores de calor a placas são montados em estruturas onde as placas e as gaxetas de espaçamento são instaladas. Os parafusos prendem o conjunto de placas, as placas e as gaxetas, com um torque específico para evitar vazamentos. Esses parafusos podem ser soltos para separar as placas para limpeza e troca de gaxetas, bem como para a possível substituição de placas para manter o desempenho dos trocadores de calor ao longo do tempo.
Trocadores de calor a placa soldados
Os trocadores de calor de placas soldadas são um tipo de trocador de calor usado em aplicações de processos industriais, geralmente para meios viscosos ou semi-incrustantes, ou quando a temperatura ou a pressão são mais altas do que as tecnicamente possíveis para os tipos de placas com gaxeta. Na maioria das vezes, são usadas placas corrugadas que são soldadas entre si, criando uma passagem multicanal para a mídia. A mídia, separada pelas placas, normalmente flui em fluxo cruzado/contra-corrente (quando mais de uma passagem é usada). O conjunto de placas soldadas pode ser montado em conchas - trocadores de calor de placas e conchas - ou em estruturas com tampas em cada lado, formando um bloco - trocadores de calor de blocos.
Características e vantagens dos trocadores de calor de placas soldadas:
- Transferência de calor eficiente: O espaçamento relativamente pequeno entre os canais (embora maior do que o das placas com gaxetas convencionais) e as placas corrugadas garantem boas velocidades de fluxo e alta turbulência para altos coeficientes de transferência de calor e transferência de calor eficiente. A espessura relativamente fina da placa garante uma boa transferência de calor entre os meios quente e frio.
- Design compacto: Os trocadores de calor de placas soldadas têm um design compacto, devido aos altos coeficientes de transferência de calor, e ocupam menos espaço em comparação com outros tipos de trocadores de calor, o que pode ser vantajoso em alguns ambientes industriais.
- Fácil limpeza e manutenção: Os trocadores de calor de placas soldadas e, especialmente, os trocadores de calor de blocos são fáceis de limpar e precisam de um mínimo de peças de reposição. Os parafusos prendem as tampas à estrutura com o conjunto de placas. Esses parafusos podem ser soltos para que se tenha acesso ao conjunto de placas de ambos os lados, para cada um dos dois meios, para facilitar a limpeza e a troca das gaxetas das 04 tampas para manter o desempenho dos trocadores de calor ao longo do tempo.
- Baixo custo operacional: A menor frequência de limpeza devido ao maior espaçamento entre os canais e a menor necessidade de peças sobressalentes do que nos trocadores de calor de placas com gaxetas garantem um baixo custo operacional.
- Construção muito robusta: A fabricação correta, o material da placa mais espesso, as patentes de projeto mecânico e a soldagem com material adicional garantem uma construção muito robusta e uma longa vida útil para esses trocadores de placas soldadas (tipo bloco), mesmo para aplicações com mudanças frequentes de temperatura e/ou pressão.
- Resistente à contaminação: O projeto robusto soldado reduz o risco de vazamento de um lado da mídia para o outro.
Trocadores de calor espirais
Os trocadores de calor de placas espirais são um tipo de trocador de calor às vezes usado em aplicações de processos industriais, para meios viscosos ou com incrustação, meios com conteúdo sólido considerável, quando a temperatura ou a pressão são mais altas do que o tecnicamente possível para os tipos de placas com gaxeta ou trocadores de calor de placas soldadas.
Os trocadores de calor em espiral têm um design exclusivo de canal único que usa duas chapas com pinos para criar espaçamento entre os canais, enroladas em torno de um núcleo cilíndrico em forma de espiral. As placas são soldadas de forma que os meios de comunicação fiquem separados uns dos outros e os canais sejam acessíveis de um lado para cada meio de comunicação. As laterais da espiral são fechadas com tampas circulares pesadas. O regime de fluxo é normalmente de contrafluxo. Devido ao design exclusivo de canal único, esses trocadores de calor têm um efeito de autolimpeza.
Características e vantagens dos trocadores de calor espirais:
- Transferência de calor eficiente: A configuração exclusiva do canal em espiral, combinada com um bom projeto que considera a queda de pressão e a velocidade do fluxo, garante alta turbulência e, portanto, bons coeficientes de transferência de calor e uma transferência de calor eficiente.
- Design compacto: Os trocadores de calor de placas em espiral têm um design compacto em comparação com os trocadores de calor de casco e tubo equivalentes, devido aos altos coeficientes de transferência de calor e, portanto, ocupam menos espaço.
- Fácil limpeza e manutenção: Os trocadores de calor de placas em espiral são fáceis de limpar e precisam de um mínimo de peças de reposição. Os parafusos prendem as duas tampas ao corpo em espiral. Esses parafusos podem ser soltos para que se tenha acesso ao canal espiral de ambos os lados, normalmente um lado para cada um dos dois meios, para facilitar a limpeza e a troca das gaxetas das 02 tampas para manter o desempenho dos trocadores de calor ao longo do tempo.
- Efeito de autolimpeza: A configuração exclusiva do canal com apenas um, às vezes dois, canais para cada mídia proporciona um efeito exclusivo de autolimpeza. Quando em algum ponto do canal começa a ocorrer incrustação, a área transversal nesse ponto será reduzida, provocando assim um aumento da velocidade e da turbulência nesse ponto. Com o aumento da turbulência local, a sujeira/incrustação pode ser removida com frequência. O efeito de autolimpeza do trocador de calor de placas em espiral resulta em um tempo de operação mais longo antes de precisar ser limpo, seja por CIP ou aberto para limpeza mecânica com hidrojato.
- Baixo custo operacional: A menor frequência de limpeza devido ao maior espaçamento entre os canais, bem como o efeito de autolimpeza mencionado anteriormente e a menor necessidade de peças de reposição do que em outros tipos de trocadores de calor garantem um custo operacional muito baixo.
- Construção muito robusta: A fabricação correta, o material de placa mais espesso, as patentes de projeto mecânico e a excelente qualidade de soldagem garantem uma construção muito robusta e uma longa vida útil para esses trocadores de placas em espiral, mesmo para aplicações com mudanças frequentes de temperatura e/ou pressão.
- Resistente à contaminação: O projeto robusto soldado reduz o risco de vazamento de um lado da mídia para o outro.
Trocadores de calor tubulares com tubos corrugados
Os trocadores de calor de tubo corrugado são particularmente úteis para processos industriais que envolvem transferência de calor para polpas e líquidos particulados. Esses trocadores de calor consistem em dois tubos concêntricos, dos quais um ou ambos os tubos podem ser corrugados.
Características e vantagens dos trocadores de calor de tubo corrugado:
- Transferência de calor eficiente: A corrugação dos tubos em combinação com um bom projeto, considerando a queda de pressão e a velocidade do fluxo, garante alta turbulência e, portanto, bons coeficientes de transferência de calor e uma transferência de calor eficiente.
- Manuseio de fluidos particulados: O projeto do tubo corrugado permite que o trocador de calor manipule meios com viscosidade considerável ou que contenham partículas, fibras ou outros materiais particulados sem o risco de entupimento ou bloqueio.
Aplicabilidade em setores específicos: Os trocadores de calor de tubo corrugado são frequentemente usados em setores que processam polpas ou fluidos particulados, como o setor alimentício e processos químicos.
Trocador de Calor com Tubos Espiralados
Os trocadores de calor com tubos espiralados são um dos equipamentos de troca de calor em larga escala mais avançados, eficientes e que economizam energia do mundo.
Ele não tem apenas as vantagens de alta eficiência de transferência de calora estrutura compacta e o peso leve dos trocadores de calor a placas, mas também tem as vantagens de resistência a alta pressão e alta temperaturao desempenho de vedação, a segurança e a confiabilidade dos trocadores de calor de casco e tubo.
A julgar pela situação atual de escassez global de água e energia, esse produto tem ampla aplicação em setores com grande consumo de energia e água de resfriamento.
- Estrutura compacta e pequena área ocupada. Os trocadores de calor com tubos espiralados geralmente são dispostos verticalmente e ocupam apenas cerca de um décimo da área dos trocadores de calor de casco e tubo comuns.
- Limitados pelo comprimento dos tubos e transporte , os trocadores de calor de casco e tubo comuns têm uma área máxima de trocada térmica de 3.000 m², enquanto os trocadores de calor com tubos espiralados têm uma área máxima de trocada térmica de 25.000 m² por casco.
- Até 8 mídias diferentes podem ser aquecidos, condensados ou resfriados simultaneamente.
- O projeto específico de nossos trocadores de calor com tubos espiralados os torna extremamente robustos, podendo suportar diferenças de temperatura e pressão muito maiores do que outros tipos de trocadores de calor.
- Os tubos de troca de calor desse trocador de calor de alta eficiência adotam uma estrutura em espiral, o que equivale ao uso de inúmeras juntas de expansão no trocador de calor. Os tubos do trocador de calor podem se expandir livremente quando submetidos a mudanças de temperatura.
- É possível obter uma aproximação muito próxima da temperatura, o que pode efetivamente recuperar mais calor. Os tubos do trocador de calor enrolados em espiral são 4 a 6 vezes mais longos do que o comprimento do lado do casco. A aproximação da temperatura dos trocadores de calor de casco e tubo comuns geralmente é de cerca de 40°C, enquanto a aproximação da temperatura dos trocadores de calor com tubos espiralados pode ser de até 5°C.
- A mídia do lado do tubo permanece no feixe de tubos de troca de calor por mais tempo e, portanto, a condensação pode ser mais completa.
- Devido ao design em espiral dos tubos, a mídia do lado do tubo deve mudar continuamente de direção, aumentando assim o fluxo turbulento. Isso aumenta a eficiência da transferência de calor e reduz a área da superfície de troca de calor. Em comparação com os trocadores de calor de casco e tubo comuns, o coeficiente de transferência de calor dos trocadores de calor com tubos em espiral pode ser aumentado em até 6 vezes.
Conclusão
Os trocadores de calor industriais desempenham um papel crucial em vários setores, permitindo a transferência eficiente de calor entre os meios. Há vários tipos de trocadores de calor industriais e eles diferem entre si no que diz respeito a tamanho/compacidade/pegada, materiais de construção disponíveis, resistência à temperatura e à pressão, robustez, projeto mecânico, necessidade de peças sobressalentes, acessibilidade e facilidade de limpeza, disponibilidade operacional e frequência de manutenção etc., sendo que cada tipo é otimizado para suas necessidades industriais e aplicação de processo. Com os diferentes tipos de trocadores de calor disponíveis, como trocadores de calor de placas com gaxetas, trocadores de calor de placas soldadas, trocadores de calor de casco e tubo, trocadores de calor em espiral e trocadores de calor de tubo corrugado, as indústrias podem escolher o mais adequado para suas aplicações específicas.
Ao usar trocadores de calor eficientes e confiáveis, as indústrias podem obter alta eficiência energética, economia de custos e um processo de produção otimizado. Compreender as diferenças e os benefícios dos diferentes tipos de trocadores de calor é importante para escolher a solução correta ou a melhor solução possível para atender às necessidades e aos requisitos específicos do setor e de suas aplicações de processo, além de levar em consideração o investimento inicial (CAPEX) e os custos operacionais (OPEX) e a expectativa de vida útil dos trocadores de calor etc.