O que é o Trocador de calor? – Como Funciona cada tipo

POR Pedro Coelho

Publicado: sábado, 18 de janeiro de 2025

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Os trocadores de calor são dispositivos essenciais em diversos setores industriais, desempenhando um papel crucial na transferência de calor entre dois ou mais fluidos. Eles são amplamente utilizados em processos de aquecimento, resfriamento, condensação e evaporação, sendo fundamentais para a eficiência energética e a sustentabilidade das operações.

Existem vários tipos de trocadores de calor, cada um com suas características específicas e aplicações distintas, como os trocadores de calor de placas, casco e tubos, e de fluxo cruzado. Neste texto, exploraremos os diferentes tipos de trocadores de calor, suas vantagens e desvantagens, e as principais áreas de aplicação, destacando sua importância na otimização de processos industriais e na redução do consumo de energia.

Processos de transferência de térmica dos trocadores de calor

Existem dois tipos principais: os trocadores de calor de contato direto e os de contato indireto. Nos trocadores de calor de contato direto, os fluidos entram em contato direto um com o outro, permitindo uma troca de calor eficiente e rápida.

Já nos trocadores de calor de contato indireto, os fluidos são separados por uma superfície sólida, como uma parede ou tubo, através da qual o calor é transferido. Cada tipo possui suas vantagens e desvantagens, sendo escolhidos de acordo com as necessidades específicas de cada aplicação.

Além disso, também existe a transferência de calor tipo armazenamento que é um processo fundamental em diversas aplicações industriais e domésticas; sendo que este método envolve basicamente a captura e o armazenamento de energia térmica para uso posterior, permitindo uma gestão eficiente dos recursos energéticos.

Trocadores de calor de contato direto

Os trocadores de calor de contato direto são dispositivos fascinantes usados ​​em várias indústrias para transferir calor entre dois fluxos de fluidos sem uma parede de separação, ou seja, os fluidos se envolvem e também ocorre transferência de massa além da transferência de calor.

Além disso, essa interação direta permite uma transferência de calor eficiente e pode envolver diferentes combinações de fluidos, como gás-líquido, líquido-líquido ou líquido-sólido. Um exemplo desse tipo de trocador é essa torre de resfriamento logo abaixo:

Algumas das vantagens principais dos trocadores de calor de contato direto incluem:

• Alta eficiência de transferência de calor: devido à mistura direta de fluidos, esses trocadores podem atingir taxas de transferência de calor superiores.
• Simplicidade de design: eles geralmente têm menos componentes em comparação aos trocadores de calor tradicionais do tipo superfície, tornando-os mais fáceis de manter.
• Custos operacionais mais baixos: a ausência de uma parede de separação reduz o risco de incrustação e corrosão, levando a menores custos de manutenção.

No entanto, também existem algumas limitações:

• Risco de contaminação: como os fluidos estão em contato direto, há uma possibilidade de contaminação se os fluidos não forem imiscíveis.
• Requisitos de pressão: os fluidos devem estar na mesma pressão, o que às vezes pode levar a custos adicionais.

Os Trocadores de calor de contato direto são amplamente usados ​​em usinas de energia, plantas de processos químicos, sistemas de ar condicionado e muitas outras aplicações. Eles desempenham um papel crucial na otimização da eficiência energética e na redução de custos operacionais em vários setores.

Trocadores de calor contato indireto

Trocadores de calor de contato indireto são dispositivos que transferem calor entre dois fluidos sem permitir que eles se misturem. Isso é obtido usando uma barreira sólida, como uma parede de metal, para separar os fluidos enquanto permite que o calor passe. Este trocador é designado como um trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como um recuperador.

Além disso, esses trocadores são amplamente usados ​​em vários setores, incluindo geração de energia, processamento químico e sistemas HVAC.

Algumas vantagens importantes dos trocadores de calor de contato indireto incluem:

• Nenhum risco de contaminação: como os fluidos não se misturam, não há risco de contaminação cruzada.
• Flexibilidade: eles podem lidar com uma ampla gama de temperaturas e pressões.
• Facilidade de manutenção: a barreira sólida pode ser facilmente limpa e inspecionada.

No entanto, esse tipo de trocador também possui algumas limitações:

• Menor eficiência de transferência de calor: a presença de uma barreira sólida pode reduzir a taxa geral de transferência de calor em comparação com trocadores de calor de contato direto.
• Potencial de incrustação: a barreira sólida pode acumular depósitos ao longo do tempo, reduzindo a eficiência.

Os trocadores de calor de contato indireto vêm em vários designs, como trocadores de casco e tubo, placas e tubos com aletas, cada um com suas próprias aplicações e vantagens específicas.

Transferência tipo armazenamento

Em um trocador de calor do tipo armazenamento, os ambos fluidos percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor. A superfície de transferência de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz.

Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas passagens, a matriz "libera" a energia térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado regenerador.

 

Podem ser dinâmicos ou estáticos. Os estáticos não possuem partes móveis e consistem em uma matriz através da qual passa alternadamente os fluidos quentes e frios.

Classificação do trocador de calor de acordo com o tipo de construção

A classificação dos trocadores de calor pode ser feita de várias maneiras, sendo uma das mais comuns baseada no tipo de construção. Esta abordagem permite identificar as características estruturais e funcionais dos trocadores, facilitando a escolha do equipamento mais adequado para cada aplicação específica.

Temos trocadores tubular e de placas, de superfície estendida e regenerativos. Outros trocadores existem, mas os grupos principais são estes que estão logo abaixo:

Trocadores tubulares

Geralmente, os trocadores de calor são construídos com tubos circulares, com variações conforme o fabricante. São amplamente utilizados em processos de transferência de calor entre líquidos (em uma ou duas fases), oferecendo desempenho ideal também em aplicações de transferência de calor gás/gás.

Isso ocorre principalmente em cenários onde as pressões e/ou temperaturas operacionais são extremamente elevadas, condições em que outros tipos de trocadores não seriam eficazes. Esses trocadores podem ser classificados em três tipos principais: casco e tubo, tubo duplo e espiral.

Trocadores de casco e tubo

Os trocadores de calor de casco e tubo são dispositivos amplamente utilizados em processos industriais para a transferência de calor entre dois fluidos. Eles são construídos com uma série de tubos contidos dentro de uma carcaça. Um dos fluidos passa pelo interior dos tubos, enquanto o outro flui pelo espaço entre a carcaça e os tubos.

A configuração e o design desses trocadores podem variar significativamente, dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos utilizados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilitar a limpeza, conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar a corrosão, entre outros fatores.

Vantagens dos Trocadores de Casco e Tubo

• Versatilidade: Podem ser utilizados em uma ampla gama de capacidades e condições operacionais, incluindo altas pressões e temperaturas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos e misturas de multicomponentes.
• Durabilidade: São construídos com materiais robustos que podem suportar condições operacionais severas, garantindo uma longa vida útil.
• Eficiência Térmica: Oferecem uma transferência de calor eficiente devido à grande área de superfície dos tubos.
• Facilidade de Manutenção: A estrutura modular permite fácil acesso para limpeza e manutenção, reduzindo o tempo de inatividade.
• Flexibilidade de Design: Podem ser projetados e configurados de várias maneiras para atender às necessidades específicas do processo, incluindo a adição de múltiplas passagens de tubos e carcaça para melhorar a eficiência térmica.

Desvantagens dos Trocadores de Casco e Tubo

• Custo Inicial: O custo de fabricação e instalação pode ser elevado, especialmente para trocadores de grande porte ou feitos de materiais especiais.
• Espaço Ocupado: Podem ocupar uma quantidade significativa de espaço, o que pode ser uma desvantagem em instalações com restrições de espaço.
• Queda de Pressão: A complexidade do design pode resultar em quedas de pressão significativas, exigindo bombas mais potentes e aumentando os custos operacionais.
• Risco de Fugas: Embora sejam projetados para minimizar vazamentos, a presença de múltiplas juntas e conexões pode aumentar o risco de fugas ao longo do tempo.
• Complexidade de Projeto: O design e a fabricação podem ser complexos, exigindo engenharia especializada e tempo de produção mais longo.

Os trocadores de carcaça e tubo são, sem dúvida, uma escolha popular e eficaz para uma variedade de aplicações industriais, graças à sua versatilidade e eficiência.

Trocador tubo duplo

Os trocadores de calor de tubo duplo consistem em dois tubos concêntricos, onde um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pelo espaço anular entre os tubos, geralmente em uma direção de contrafluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocadores de calor, devido à fácil manutenção envolvida. É geralmente utilizado em aplicações de pequenas capacidades.

Vantagens dos Trocadores de Tubo Duplo

• Simplicidade de Construção: Devido ao seu design simples, são fáceis de fabricar e manter.
• Baixo Custo Inicial: Comparado a outros tipos de trocadores de calor, o custo de fabricação e instalação é relativamente baixo.
• Facilidade de Manutenção: A estrutura simples permite fácil acesso para limpeza e manutenção, reduzindo o tempo de inatividade.
• Flexibilidade de Operação: Podem ser utilizados em uma variedade de aplicações, incluindo aquecimento e resfriamento de fluidos em pequenas capacidades.
• Expansão Térmica: A configuração permite acomodar expansões térmicas sem problemas significativos.

Desvantagens dos Trocadores de Tubo Duplo

• Capacidade Limitada: São mais adequados para aplicações de pequenas capacidades e podem não ser eficientes para grandes volumes de transferência de calor.
• Eficiência Térmica: A transferência de calor pode ser menos eficiente em comparação com outros tipos de trocadores, como os de carcaça e tubo.
• Queda de Pressão: Pode haver uma queda de pressão significativa, especialmente em aplicações de alta viscosidade.
• Limitações de Design: A simplicidade do design pode limitar a capacidade de personalização para aplicações específicas.
• Problemas de Limpeza: Embora a manutenção seja geralmente fácil, a limpeza pode ser problemática em casos de incrustação severa.

Os trocadores de tubo duplo são uma escolha popular para aplicações de pequenas capacidades devido à sua simplicidade e baixo custo. No entanto, é importante considerar tanto as vantagens quanto as desvantagens ao selecionar o tipo de trocador de calor mais adequado para uma aplicação específica.

Trocador de calor em serpentina

Os trocadores de calor em serpentina são dispositivos compostos por uma ou mais serpentinas (feitas de tubos circulares) dispostas dentro de uma carcaça. Este design permite uma eficiência superior na transferência de calor em comparação com trocadores de calor de tubo duplo. A configuração em espiral das serpentinas facilita a acomodação de uma área de troca térmica maior em um espaço limitado, tornando-os ideais para aplicações onde o espaço é restrito.

Vantagens dos Trocadores de Calor em serpentina

• Eficiência na Transferência de Calor: A configuração em espiral aumenta a superfície de contato entre os fluidos, melhorando a eficiência na transferência de calor.
• Compactação: Permite a acomodação de uma grande área de troca térmica em um espaço reduzido, o que é vantajoso em instalações com espaço limitado.
• Expansões Térmicas: As expansões térmicas não representam um problema significativo devido à flexibilidade dos tubos em espiral.
• Versatilidade: Podem ser utilizados em uma ampla gama de aplicações industriais, incluindo aquecimento, resfriamento e recuperação de calor.

Desvantagens dos Trocadores de Calor em serpentina

• Dificuldade na Limpeza: A limpeza das serpentinas pode ser bastante difícil devido à sua configuração complexa, o que pode levar a problemas de manutenção.
• Custo Inicial: O custo inicial de fabricação e instalação pode ser mais elevado em comparação com outros tipos de trocadores de calor.
• Risco de Entupimento: Em aplicações onde os fluidos contêm partículas ou sedimentos, há um risco maior de entupimento das serpentinas.

Os trocadores de calor em serpentina são amplamente utilizados em diversas indústrias devido à sua eficiência e versatilidade.

Trocador de calor tipo placa

Os trocadores de calor tipo placa são dispositivos amplamente utilizados em processos industriais para a transferência de calor entre dois fluidos. Eles são normalmente construídos com placas lisas ou onduladas, que são empilhadas e fixadas em um quadro. Os fluidos fluem através de canais formados pelas placas, permitindo uma eficiente transferência de calor. No entanto, esses trocadores geralmente não podem suportar pressões muito altas em comparação com os trocadores tubulares equivalentes.

Vantagens dos Trocadores de Calor Tipo Placa

• Alta Eficiência Térmica: Devido à grande área de superfície das placas, esses trocadores oferecem uma excelente eficiência na transferência de calor.
• Compactação: São mais compactos em comparação com outros tipos de trocadores de calor, ocupando menos espaço nas instalações.
• Facilidade de Manutenção: A estrutura modular permite fácil desmontagem para limpeza e manutenção, reduzindo o tempo de inatividade.
• Flexibilidade de Design: Podem ser configurados de várias maneiras para atender às necessidades específicas do processo, incluindo a adição ou remoção de placas para ajustar a capacidade.
• Baixo Volume de Fluido: Requerem um menor volume de fluido para operação, o que pode ser vantajoso em termos de economia de custos e eficiência.

Desvantagens dos Trocadores de Calor Tipo Placa

• Limitação de Pressão: Não são adequados para aplicações que envolvem pressões muito altas, devido à sua construção com placas finas.
• Risco de Vazamentos: A presença de múltiplas juntas e vedações pode aumentar o risco de vazamentos ao longo do tempo.
• Custo Inicial: O custo de fabricação e instalação pode ser elevado, especialmente para trocadores de grande porte ou feitos de materiais especiais.
• Sensibilidade à Incrustação: Podem ser mais suscetíveis à incrustação e ao entupimento, especialmente em aplicações com fluidos sujos ou viscosos.
• Complexidade de Limpeza: Embora a manutenção seja geralmente fácil, a limpeza pode ser problemática em casos de incrustação severa, exigindo desmontagem completa.

Os trocadores de calor tipo placa são uma escolha popular para uma variedade de aplicações industriais devido à sua alta eficiência térmica e flexibilidade de design. No entanto, é importante considerar tanto as vantagens quanto as desvantagens ao selecionar o tipo de trocador de calor mais adequado para uma aplicação específica.

Aplicação de trocadores de calor

Os trocadores de calor são dispositivos essenciais em diversas indústrias, utilizados para transferir calor entre dois ou mais fluidos. Entre os tipos mais comuns de trocadores de calor estão os condensadores, os trocadores de calor de placas, os trocadores de calor de casco e tubo, e os trocadores de calor de ar.

Condensadores são dispositivos amplamente empregados em diversas áreas, como usinas termoelétricas a vapor, plantas industriais de processamento químico e usinas nucleares, além de serem utilizados em veículos espaciais. Os principais tipos de condensadores incluem os condensadores de superfície, os condensadores a jato e os condensadores evaporativos.

O condensador de superfície é o modelo mais comum, destacando-se pela vantagem de retornar o condensado à caldeira por meio do sistema de alimentação de água. Como a pressão do vapor na saída da turbina é bastante baixa, variando entre 1,0 a 2,0 polegadas de mercúrio absoluto, a densidade do vapor também é muito pequena, resultando em um grande fluxo de fluido.

Para reduzir a perda de carga na transferência do vapor da turbina para o condensador, geralmente o condensador é instalado abaixo da turbina e diretamente conectado a ela.

No interior dos tubos, a água de resfriamento flui horizontalmente, enquanto o vapor entra por uma ampla abertura na parte superior, movendo-se verticalmente para baixo e atravessando os tubos. Existe ainda um sistema de aspiração de ar, essencial para evitar que a presença de gases não condensáveis no vapor prejudique o coeficiente de transferência de calor, o que comprometeria a eficiência da condensação.

Trocadores de calor de placas são utilizados em aplicações onde é necessário um alto coeficiente de transferência de calor em um espaço compacto. Eles são comuns em sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), bem como em processos industriais que envolvem fluidos de alta viscosidade ou que contêm partículas.

Trocadores de calor de casco e tubo são amplamente utilizados em refinarias de petróleo, plantas petroquímicas e outras indústrias de processos químicos. Eles consistem em um conjunto de tubos montados dentro de um casco cilíndrico. Um fluido flui através dos tubos, enquanto o outro flui pelo espaço entre os tubos e o casco, permitindo uma transferência eficiente de calor.

Trocadores de calor de ar são utilizados em sistemas de ventilação e ar condicionado, bem como em processos industriais que requerem a remoção de calor de gases quentes. Eles geralmente consistem em um conjunto de aletas e tubos, onde o ar flui através das aletas e o fluido de resfriamento flui através dos tubos.

Cada tipo de trocador de calor tem suas próprias vantagens e desvantagens, e a escolha do tipo adequado depende das necessidades específicas da aplicação.

Referências

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• https://essel.com.br/cursos/material/03/CAP2.pdf (acessado em 16/01/2025 as 16:12)
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• https://www.barriquand.com/pt/atualidades/como-projetar-um-trocador-calor (acessado em 16/01/2025 as 16:37)
• https://www.mundomecanico.com.br/wp-content/uploads/2014/01/Trocadores-de-
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• https://www.zwirnerequipment.com/blog/what-is-a-double-tube-heat-exchanger/ (acessado em 16/01/2025 as 16:52)
• https://www.vedengineering.net/heat-exchanger.html (acessado em 16/01/2025 as 16:55)
• https://www.mardeganfabio.it/coil-heat-exchanger (acessado em 16/01/2025 as 16:59)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico com Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho e também sou Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, eu estou estudando Engenharia Civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)