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TROCADORES DE CALOR
TROCADOR DE CALOR
Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje busca-se aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na crescente preocupação pela conservação de energia.
Recuperadores
TIPOS DE TROCADORES DE CALOR
Os trocadores de calor porém ser classificados de acordo com:
- A disposição das correntes dos fluidos: correntes paralelas, contracorrente, correntes cruzadas e multipasse.
- Tipo de construção: segundo a construção os trocadores podem ser de tubos coaxiais, casco e tubos e compactos.
Correntes Paralelas e Contracorrente
Trocadores de Calor de Correntes Paralelas
Nos trocadores de correntes paralelas, os fluidos quente e frio entram pela mesma extremidade, correm na mesma direção e saem pela outra extremidade.
A dTml adequada para este caso é
Trocadores de Calor Contracorrente
Nos trocadores de calor contracorrente, os fluidos entram por extremidades opostas e saem por extremidades opostas.
Para este caso
Multipasse e com Correntes Cruzadas
Multipasse
Existem situações em que, devido a restrições de espaço, econômicas ou condições técnicas específicas opta-se por construir trocadores com multipasse nos tubos e ou no casco.
Trocadores de Calor de Correntes Cruzadas
Nos trocadores de calor de correntes cruzadas, os fluidos se deslocam com correntes perpendiculares uma à outra. Neste caso os trocadores podem ser aletados ou sem aletas, diferindo-se pelo fato dos fluidos que se movem sobre os tubos estarem não misturados ou misturados respectivamente. No primeiro caso o fluido é não misturado, pois as aletas impedem o movimento na direção transversal à direção principal da corrente, o que já é possível nos tubos sem aletas, e as variações de temperatura, neste caso ocorrem principalmente na direção principal da corrente.
Nos dois casos anteriores é possível aplicar as equações já apresentadas para trocadores em corrente e contracorrente simples, com a seguinte modificação:
onde dTml cc é o calculado para contracorrente e F pode ser obtido dos ábacos abaixo para cada caso.
Trocador de Calor de Tubos Coaxiais
Trocador de Calor de Casco e Tubos
Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente).
Trocador de Calor casco e tubos
a - Um passe no casco e dois passes nos tubos.
b - Dois passes no casco e quatro passes nos tubos.
Feixe tubular com tubos espiralados (alto rendimento térmico)
Trocadores de Calor Compactos
Os trocadores de calor compactos são usados, tipicamente, quando se deseja ter uma grande área de transferência de calor por unidade de volume e pelo menos um dos fluidos é um gás. Um bom exemplo é o radiador do sistema de refrigeração dos motores automotivos.
Radiador
Existem muitas configurações diferentes de tubos e de placas, cujas diferenças se devem principalmente ao modelo e à disposição das aletas. As características da transferência de calor e do escoamento foram determinadas para configurações específicas e se apresentam, nos casos típicos, no formato das Figs. 1 e 2. Os resultados para a transferência de calor estão correlacionados pelo fator j de Colbum e pelo número de Reynolds, com o número de Stanton (St = h/Gcp) e o de Reynolds baseados na velocidade mássica máxima
A grandeza s , é a razão entre a área mínima de escoamento livre das passagens aletadas (área da seção reta perpendicular à direção da corrente) Aff e a área frontal Afr do trocador. Os valores de s, de Dh (diâmetro hidráulico do canal de escoamento), de a (área superficial de transferência de calor por unidade do volume do trocador), Af /A (razão entre a área das aietas e a área total de transferência de calor) e de outros parâmetros geométricos estão listados para cada configuração. A razão Af /A é usada para estimar a efetividade térmica n,. Num cálculo de projeto, a será usado para a determinação do volume do trocador de calor, depois de a área da superfície de transferência de calor ser achada; num cálculo de desempenho, este parâmetro será usado para determinar a área superficial a partir do conhecimento do volume do trocador de calor.
No cálculo de um trocador de calor compacto, utilizam-se inicialmente informações empíricas, como as das Figs. 1 e 2, para determinar o coeficiente de convecção médio das superfícies aletadas. O coeficiente global de transferência de calor seria então determinado ou pelo método da DTML ou pelo método E-NUT e depois prosseguiriam os cálculos de projeto, OU de desempenho, do trocador de calor.
A perda de carga associada ao escoamento através de um feixe de tubos aletados, como os das Figs. 1 e 2, pode ser calculada.
Figura A
Vi e v0 são os volumes específicos do fluido na entrada e na saída e vm. = (vi + v0)/2. A primeira parcela no segundo membro refere-se aos efeitos da aceleração ou da desaceieração do fluido ao passar através do trocador de calor enquanto a segunda parcela refere-se às perdas provocadas pelo atrito do fluido. Numa certa configuração do miolo do trocador, o fator de atrito é uma função do número de Reynolds como, por exemplo, está nas Figs. 1 e 2 num trocador de tamanho determinado, a razão entre as áreas pode ser estimada pela relação (A/Aff) = (a V/s Afr) onde V é o volume total do trocador.
Figura B
O trabalho clássico de Kays e London dá o fator de Colburn j e o fator de atrito para muitos trocadores de calor compactos, com diferentes miolos, e inclui configurações com tubos chatos (Fig. 11.5a) e com chapas aletadas (Fig. 11.5d, e), e também outras configurações com tubos circulares (Fig. 11.5b, c).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
* INCROPERA, Frank P.; WITT, David P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, LTC, Rio de Janeiro, 1992.
* KERN, Donald Q. Processos de Transmissão de Calor, Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1980, 671p.
* BEJAN, Adrian. Transferência de Calor, Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1996.
* STOECKER, Wilbert F. Refrigeração e Ar Condicionado, McGraw-Hill, São Paulo, 1985.
CÁLCULO DE UM TROCADOR DE CALOR
Os problemas de projeto, análise e ou desenvvolvimento de um trocador de calor para uma finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente: problema de projeto e problema de desempenho. A solução de um problema é facilitada pela adoção do método mais adequado a ele.
O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação das suas dimensões, isto é, da área superficial de transfeência de calor A necessária para se atingir a temperatura de saída desejada. A adoção do método da DTML é facilitada pelo conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quente e frio, pois então D Tml pode ser calculada sem dificuldade.
Um outro problema é aquele no qual se conhecem o tipo e as dimensões do trocador e se quer determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída quando forem dadas as vazões dos fluidos e as temperaturas na entrada. Embora o método da DTML possa ser usado neste cálculo de desempenho do trocador de calor, o procedimento seria tedioso e exigiria iteração. Isto poderia ser evitado com a aplicação do método do NUT.
Método da DTML
Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor.
O COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Este coeficiente se define em termos da resistência térmica total à transferência de calor entre os dois fluidos. Durante a operação normal de um trocador de calor, as superfícies ficam sujeitas a incrustações de impureza dos fluidos , à formação de ferrugem e a outras reações entre os materiais do fluido e das paredes, aumentando assim a resistência à transferência de calor entre os fluidos, influindo assim, neste coeficiente. As aletas, por aumentarem a área superficial diminuem a resistência a transferência convectiva de calor, influindo assim no coeficiente global de transferência de calor. Estes dois efeitos podem ser incluídos nos cálculos deste coeficiente através da formula:
Foge do objetivo do presente documento o desenvolvimento matemático e deduções das fórmulas relativas aos processos de troca de calor. Portanto serão apresentadas as necessárias ao estudo, análise e projeto de trocadores, sem maiores justificativas.
Pela aplicação de balanços globais de energia ao fluidos quente e frio, temos:
Relacionando-se a taxa total de transferência de calor q à diferença de temperatura dT entre os fluidos quente e frio, temos:
dTml é a diferença de temperatura média apropriada para cada caso, a saber: trocador de calor com correntes paralelas ou contracorrente, multipasse e correntes cruzadas.
Observações:
1) Para a dedução das fórmulas acimas algumas hipóteses foram consideradas:
O coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o comprimento da trajetória.
O calor específico é constante.
Não existem mudanças de fase parciais no sistema, isto é, vaporização ou condensação. A dedução se aplicará para trocas de calor sensível e quando a vaporização ou condensação for isométrica em todos os pontos de trajetória.
As perdas de calor para o ambiente são desprezíveis.
1) Condições operacionais especiais:
Podemos ter 3 condições especiais de funcionamento de trocadores
1) Quando a capacidade calorífica do fluido quente é muito maior que do fluido frio
Neste caso Ch tende para o infinito quando temos uma condensação. Graficamente teremos uma reta paralela de temperatura do fluido quente ao eixo dos x.
2) Quando a capacidade calorífica do fluido frio é muito maior que do fluido quente
Neste caso Cc tende para o infinito quando temos uma evaporação. Graficamente teremos uma reta paralela de temperatura do fluido frio ao eixo dos x.
3) Quando a capacidade calorífica do fluido quente e frio são iguais e sua diferença de temperatura é igual
Teremos graficamente duas retas de temperaturas paralelas entre si.
Método do NUT
É uma questão simples o uso do método dTml para analizar um trocador de calor quando as temperaturas de entrada dos fluidos são conhecidas e as temperaturas de saída ou são especificadas ou se determinam com facilidade pelas espressões do balanço de energia. Mas quando se conhecem somente as temperaturas de entrada este método exige um processo iterativo. Neste caso é preferível usar uma outra abordagem, o método denominado efetividade-NUT.
Novamente não apresentaremos as deduções matemáticas das fórmulas utilizadas, por fugir do escopo do presente trabalho. As necessárias serão apresentadas suscintamente, fornecendo apenas o necessário para a compreensão do trabalho e o cálculo efetivo de um trocador.
Para definir a efetividade de um trocador de calor, devemos determinar inicialmente a taxa máxima possível de transferência de calor, qmáx , no trocador.
onde Cmín é o menor dos dois valores
.
A efetividade é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor no trocador de calor e a taxa máxima possível de transferência de calor,
Se a efetividade e as temperaturas de entradas forem conhecidas, a taxa real de transferência de calor pode ser determinada pela expressão
Para qualquer trocador pode-se mostrar que
onde o NUT é um admensional (número de unidades de transferência que se define como
e
A questão final e crucial para aplicação deste método é relacionar a efetividade e o NUT, assim pode-se resolver qualquer problema específico com facilidade e rapidez. Tais relações estão apresentadas abaixo em duas tabelas. Usa-se a mais conveniente.
Em muitos casos é possível e conveniente para maior rapidez e comodidade utilizar os gráficos que relacionam diretamente efetividade e NUT, mesmo com um pequeno prejuizo na precisão dos cálculos.
Abaixo relacionados os gráficos para os casos mais comuns:
Aplicações de Trocadores de Calor
Os trocadores de calor desempenham papel importante nas diversas áreas do conhecimento e pesquisa científica e aplicações tecnológicas.
Na indústria são usados para aquecer ou resfriar fluidos para usos diversos. São encontrados sob a forma de torres de refrigeração, caldeiras, condensadores, evaporadores, leito fluidizado, recuperadores...
Dispositivos de conforto ambiental e conservação de alimentos, como condicionadores de ar, aqucedores de água domésticos e frigoríficos se baseam fundamentalmente em trocadores de calor.
A produção de bebidas destiladas utiliza esta tecnologia; alambiques, por exemplo.
A comercialização de outras, ídem; chopeiras, por exemplo.
A manutenção da temperatura adequada ao funcionamento dos motores de automóveis é conseguida através de radiadores.
Podemos imaginar uma infinidade de aplicações para este dispositivo; a transferência otimizada e a conservação de energia sob a forma de calor é um desafio constante; trocadores de calor mais eficientes e baratos uma necessidade.
Não poderíamos deixar de lembrar que a facilidade de manutenção é uma condicionante do projeto, já que deverá ser executada periodicamente para garantir a eficiência do trocador; incrustações aumentam a resistência térmica, diminuem a taxa de troca de calor, portanto devem ser retiradas.
Torres de Refrigeração
Caldeiras
Condensadores
Evaporadores
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Leito Fluidizado
Aquecedores
Recuperadores
Aquecedores
Alambique
Dispositivo usado para destilação da aguardente de cana
Manutenção de um Trocador
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
* INCROPERA, Frank P.; WITT, David P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, LTC, Rio de Janeiro, 1992.
* KERN, Donald Q. Processos de Transmissão de Calor, Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1980, 671p.
* BEJAN, Adrian. Transferência de Calor, Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1996.
* STOECKER, Wilbert F. Refrigeração e Ar Condicionado, McGraw-Hill, São Paulo, 1985.
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Condições de Processo num Trocador de Calor
Tah Wun Song
(EPUSP-E.E. Mauá)
1. Introdução
Um trocador de calor é um equipamento onde ocorre uma troca térmica entre dois fluidos, normalmente separados por uma parede. Há diversos tipos construtivos, dentre os quais, um dos mais usados industrialmente é o de feixe tubular, constituído por um conjunto de tubos envolto por um casco. Um dos fluidos circula no interior dos tubos e o outro fluido escoa no lado externo. No presente artigo, serão apresentadas algumas considerações a respeito das condições de processo nesse trocador de calor.
As variáveis envolvidas são muitas e quase sempre interdependentes. O engenheiro que vai projetar um trocador de calor novo ou avaliar o desempenho de um trocador já em operação precisa conhecer bem essas variáveis. Muito desse conhecimento depende do bom senso e da experiência profissional. As considerações a seguir visam identificar os problemas mais freqüentes e formular algumas soluções razoáveis. O importante é não se esquecer de que os problemas são interrelacionados e a solução de um pode ser conflitante com a do outro. Portanto, o engenheiro deve sempre guardar uma visão "globalizante" na análise de casos e propor soluções que contemplem todos os aspectos envolvidos. As principais varáveis de processo num equipamento de troca térmica são as seguintes.
2. Natureza e Características dos Fluidos
A natureza dos fluidos que circulam num trocador de calor constitui um fator fundamental no seu estudo.
É óbvio que há diferença notória num processo se o fluido em questão é ácido sulfúrico (produto extremamente corrosivo), ou leite (produto alimentício), ou sulfeto de carbono (produto muito tóxico) ou vapor d'água (fluido com coeficiente de troca térmica muito elevado).
As propriedades físicas de maior interesse na troca térmica são a condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico. Elas influem, juntamente com algumas variáveis geométricas e de operação, decisivamente no desempenho de um trocador de calor. Vale lembrar que os valores dessas propriedades variam em função da temperatura que, por sua vez, se altera ao longo de um trocador de calor. Na maioria das vezes, é aceitável como simplificação que se adotem os valores das propriedades à temperatura média entre a entrada e a saída.
Além das propriedades físicas citadas, é preciso ter em conta características como a corrosividade, a toxidez, a periculosidade, a inflamabilidade. Para esses casos, a garantia de que não exista vazamento do fluido deve ser maior. Os cuidados para a detecção de um eventual vazamento devem ser redobrados, assim como as providências posteriores devem ser imediatas e de preferência automaticamente acionadas. Imagine o desastre numa fábrica se, num resfriador, o ácido sulfúrico fura um dos tubos e contamina a água de resfriamento do lado do casco, sabendo que o circuito da água de resfriamento é integrado a outras unidades e se trata de um circuito fechado: vai ocorrer uma verdadeira proliferação do "vírus da acidez" pelo "corpo" da fábrica toda.
3. Temperaturas de Operação
As temperaturas de entrada e saída de um fluido num trocador de calor, chamadas de temperaturas terminais (nos extremos do trocador), dependem das exigências do processo. Elas, portanto, são em geral especificadas e vão determinar o valor do potencial térmico (a força motriz térmica) para promover a troca térmica. É importante especificar, além do valor nominal desejado, qual a faixa de tolerância dentro da qual o valor pode flutuar sem prejuízos ao processo, o que se reflete diretamente nos aspectos de operação, instrumentação e controle do processo.
Por outro lado, se os valores das temperaturas terminais (ou os valores das diferenças entre elas) forem muito elevados, devem ser seguidas recomendações sobre o assunto: por exemplo, o uso de materiais de construção mais nobres, uso de juntas de expansão etc.
4. Pressões de Operação
Como o trocador de calor é sempre um equipamento inserido numa unidade de processo, as pressões dos fluidos também dependem do resto do sistema.
Em alguns casos, porém, as pressões são ditadas pelas exigências específicas do processo de troca térmica. Por exemplo, para possibilitar a condensação de certos fluidos, a pressão de operação tem que ser alta, se se quer usar água como fluido de resfriamento. Ou então, no caso de um trocador de calor de placas, a pressão de operação não pode ser muito elevada, pela dificuldade de prover uma resistência mecânica estrutural às placas e às vedações entre elas.
Para as situações em que as pressões são muito elevadas, deve-se consultar normas específicas a respeito. A espessura da parede deve ser naturalmente maior e sistemas de segurança adequados precisam ser previstos.
Um outro aspecto sobre a pressão diz respeito à contaminação dos fluidos num acidente de ruptura dos tubos. Se, por motivos de processo ou de segurança, é preferível que o fluido A seja contaminado pelo fluido B e não vice-versa, como o caso do resfriamento do ácido sulfúrico (fluido A) por água (fluido B), então opera-se com uma pressão maior no lado do fluido B do que a do A. Assim, quando ocorre um vazamento pelos tubos, o fluido B, que tem pressão maior, passa para o lado do fluido A e não o oposto. Mas é importante lembrar que num trocador de calor há uma queda de pressão (a ser visto no item 6) entre a entrada e a saída e, para aproveitar o fato acima, a pressão de saída do B (a mínima do B no trocador) tem que ser maior que a pressão de entrada do fluido A (a máxima do A no trocador).
5. Velocidade de Escoamento
A velocidade de escoamento influi em quatro aspectos fundamentais: a eficiência de troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de sujeira.
Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia. Conseqüentemente, a área do trocador necessária para uma dada carga térmica será menor. Nesse aspecto, é desejável que a velocidade de escoamento seja alta.
Mas essa turbulência intensa também implica num atrito maior e uma perda de carga maior, podendo até ultrapassar valores máximos admissíveis (a ser visto no item 6). Nesse aspecto, não é desejável uma velocidade de escoamento exagerada.
Então, há um compromisso entre melhorar a eficiência de troca térmica sem acarretar uma perda de carga excessiva. A busca desse compromisso constitui um dos principais objetivos no projeto de um trocador de calor.
Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à erosão e ao depósito de sólidos (item 7). Uma velocidade muito pequena pode favorecer o depósito de sujeira e a dificuldade da sua remoçao. Por outro lado, uma velocidade exageradamente alta pode acarretar uma erosão intensa; se o fluido é corrosivo ou contém sólidos em suspensão, o efeito será mais danoso ainda. Então, de novo, a velocidade de escoamento não pode ser nem muito alta nem muito baixa.
Há, na literatura, faixas de valores práticos, recomendados para velocidade de escoamento num trocador de calor:
Fluido
Velocidade Recomendada (m/s)
Gases e vapores
25 a 30
Líquidos com viscosidade < 50 cP
1 a 3
Líquidos c/ viscosidade entre 50 e 1000 cP
0,5 a 2
Líquidos com viscosidade > 1000 cP
0,2 a 1
Água de resfriamento nos tubos
1 a 2,5
Os valores acima devem ser tomados como orientativos: dependendo do caso específico, pode-se justifcar a adoção de valores diferentes.
6. Perda de Carga Admissível
A queda de pressão (ou mais precisamente a variação de energia expressa em altura manométrica) entre a entrada e a saída é conhecida como a perda de carga num trocador de calor. Para cada fluido num dado processo, é estipulado um valor de perda de carga máximo ou perda de carga admissível, por várias razões.
Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional de energia elevado, devendo portanto ser evitada. Além disso, não se deve esquecer que o trocador de calor é sempre um equipamento componente de uma unidade de processo. O fluido que sai dele, em muitas vezes, vai ainda passar por tubulações e outros equipamentos a jusante, com suas respectivas perdas de carga; portanto na saída do trocador de calor, o fluido precisa ter ainda uma pressão suficiente para vencer as perdas subseqüentes.
Conforme já destacado quando se tratou da velocidade de escoamento, a perda de carga está intimamente associada a esta variável. Na literatura, há faixas de valores usuais para perdas de carga admissíveis:
Fluido
Perda de Carga Admissível (psi)
Gases e vapores em operações a pressões
altas ou intermediárias
2 a 10
Gases e vapores em operações a pressões
próximas à atmosférica ou sob vácuo
0,3 a 2
Líquidos
10 a 25
Reiteramos a ressalva de que se tratam de valores orientativos.
Um aspecto muito importante que, às vezes, pode ser esquecido é o seguinte. Para um trocador de calor em geral, deve-se trabalhar com um valor de perda de carga o mais próximo possível do admissível. Por exemplo, não é interessante operar um trocador de calor com perda de carga de 3 psi, se a admissível é de 10 psi. Isso se deve exatamente ao que já foi exposto anterirormente: quanto maior a intensidade de turbulência, melhor o desempenho de troca térmica. Então, para um trocador de calor, deve-se usufruir de toda a dissipação de energia por atrito prevista, sem contudo ultrapassar o valor admissível.
7. Fator de Sujeira
O depósito de materiais indesejáveis na superfície de um trocador de calor aumenta a resistência à transferência de energia, diminuindo a eficiência de troca térmica e pode obstruir a passagem do fluido, aumentando a sua perda de carga.
Um dos modos adotados na prática para saber o grau de depósito num trocador de calor em operação é acompanhar, ao longo do tempo de uso, as temperaturas e as pressões terminais do trocador. À medida que o depósito aumenta, a eficiência de troca térmica cai (observado através das temperaturas) e a diferença de pressões cresce.
O processo de formação do depósito é em geral complexo. Pode ser devido à sedimentação, à polimerização, à cristalização, ao coqueamento, à corrosão, ou a causas de natureza orgânica (como algas). Esses mecanismos podem ocorrer independente ou paralelamente.
A taxa de depósito é afetada pelas condicões de processo do trocador tais como a natureza dos fluidos, a velocidade de escoamento, as temperaturas dos fluidos, a temperatura na parede, o material de construção do equipamento, o grau de acabamento da superfície como a rugosidade ou tipo de revestimento interno.
Para facilitar a quantificação desse efeito que conforme visto é complicado, costuma-se usar um parâmetro definido como fator de incrustação ou fator de sujeira ("fouling factor"). Dimensionalmente é o inverso do coeficiente de transporte de energia por convecção. Logo, quanto maior o fator de incrustação, maior o depósito, maior a resistência à troca térmica.
Faixas de valores típicos desse fator podem ser encontrados na literatura para diversos casos de operação comuns.
Esses valores são interessantes e úteis porque servem de orientação geral. Mas como o depósito é um processo complexo, depende de uma série de variáveis e portanto difícil de ser previsto, os valores típicos da literatura devem ser usados com muita reserva e cuidado, pois nunca vão refletir a realidade específica de um processo. Os valores mais confiáveis são os obtidos experimentalmente para um dado caso particular.
O fator de incrustação deve ser considerado a priori num projeto de trocador de calor, pois a área de troca térmica calculada deve ser suficiente para as necessidades do processo quando o trocador está novo (limpo) e quando está em operação há algum tempo (já com sujeira). Como o valor desse fator é difícil de ser previsto, essa deficiência constituirá uma das causas principais da imprecisão no projeto de um trocador de calor. A experiência profissional nesse aspecto será fundamental.
8. Localização dos Fluidos
Para um trocador de calor do tipo casco-tubos, uma das decisões importantes a ser tomada no início do projeto é definir qual dos fluidos deve circular pelo lado interno (feixe tubular) e qual pelo lado externo (casco). Uma localização mal feita implica num projeto não otimizado e numa operação com problemas freqüentes.
Os aspectos básicos levados em consideração referem-se à limpeza do equipamento, à manutenção, a problemas decorrentes de vazamento e à eficiência de troca térmica.
Muitos dos fatores que influem nesses aspectos já foram abordados anteriormente.
Para decidir a localização dos fluidos, deve-se considerar:
(a) Fluido com maior tendência de incrustação:
A velocidade de escoamento pelo lado dos tubos (escoamento em trecho reto ou em U) é mais uniforme e mais fácil de ser controlada.
Por outro lado no casco, devido aos desvios, a velocidade não é regular em todo o trajeto; pode haver regiões no casco com velocidades bem pequenas ou até zonas mortas.
Como a velocidade de escoamento influi no depósito, conforme visto, recomenda-se circular o fluido mais sujo (com maior fator de incrustação) no lado dos tubos.
Além disso a limpeza mecânica e química é bem mais fácil pelos tubos. No casco, a limpeza mecânica às vezes é impraticável e a limpeza química pode ser não tão eficiente pela existência de zonas de baixa turbulência.
Vale lembrar que a água de resfriamento é um dos fluidos industriais com alto fator de sujeira e portanto, de modo geral, circula preferencialmente pelos tubos.
Mesmo para a água de resfriamento tratada, cujo fator de sujeira já não é tão elevado, recomenda-se em geral a sua circulação pelos tubos.
(b) Fluido corrosivo:
É melhor circular o fluido corrosivo no lado dos tubos. Pois, assim, "só se corrói" o tubo, que pode ser protegido com uso de material de construção mais resistente ou até ser revestido internamente, se for o caso. O material de construção e o grau de acabamento do casco poderão então ser diferentes e mais brandos.
(c) Fluido com temperatura ou pressão muito elevadas:
Para serviços de alta temperatura ou alta pressão, os cuidados com o material de construção e vedação têm que ser maiores. Portanto, pelo mesmo motivo anterior, é preferível circular o fluido nessas condições no lado dos tubos.
Vale ressaltar que o critério exposto não implica em que o fluido com maior temperatura ou maior pressão do que o outro necessariamente deve ser locado nos tubos. Mas se o valor da temperatura ou da pressão for significativamente apreciável, requerendo material de construção especial ou outros cuidados especiais, então esse fluido merece uma preferência de circular pelos tubos.
(d) Fluido com menor velocidade de escoamento:
Uma velocidade baixa de escoamento prejudica a troca térmica.
Devido à possibilidade de colocação conveniente de chicanas transversais, é mais fácil provocar uma turbulência intensa no casco do que no lado dos tubos. Logo, mesmo que a vazão de escoamento seja baixa, há um recurso construtivo (chicana) para incrementar a troca térmica no lado do casco.
Então, quando a diferença entre as vazões é significativa, em geral é mais econômico circular o fluido de menor vazão no lado do casco e o de maior vazão no lado dos tubos.
(e) Fluido mais viscoso:
Um fluido com alta viscosidade também dificulta a troca térmica. Assim pelo mesmo motivo do item anterior, circula-se o fluido mais viscoso no lado do casco onde é mais fácil intensificar a turbulência. Mas se a diferença de viscosidades entre os dois fluidos for pequena (por exemplo, a de um fluido é de 0,5 cP e do outro 1 cP), nesse caso, torna-se indiferente a sua locação quanto ao critério de viscosidade.
(f) Fluidos letais e tóxicos:
Para operação desses fluidos, por motivos de segurança, a vedação é fundamental.
A estanqueidade é mais simples de ser garantida no lado dos tubos, usando um espelho (chapa onde estão consolidados os tubos) duplo por exemplo. Então os fluidos periculosos devem circular preferencialmente pelo lado dos tubos.
(g) Fluido com diferença entre as temperaturas terminais muito elevada:
Se a diferença entre as temperatuas de entrada e saída for muito alta (maior que 150oC) e se houver mais de uma passagem pelo lado dos tubos, recomenda-se circular esse fluido pelo casco. Esse procedimento minimiza problemas construtivos causados pela expansão térmica.
Em muitos casos, podem ocorrer situações conflitantes, de acordo com as recomendações prescritas acima. Por exemplo, um dos fluidos é muito incrustante e o outro escoa sob temperatura muito elevada; segundo os critérios mencionados, os dois fluidos deveriam circular pelo lado dos tubos.
Uma prioridade que serve de orientação é dada pela seguinte relação onde o fluido de posição anterior é em geral alocado nos tubos:
Água de resfriamento;
Fluido corrosivo ou fluido com alta tendência de incrustação;
Fluido menos viscoso;
Fluido de temperatura e pressão elevadas;
Fluido de maior vazão.
