conhecendo-os-trocadores-de-placas[1]

8/6/2019 conhecendo-os-trocadores-de-placas[1]

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Conhecendo os Trocadores

de Calor a Placas

Jorge A. W. Gut e Jos M. PintoDep. de Eng. Qumica - Universidade de So Paulo

Av. Prof. Luciano Gualberto, trav. 3, 380So Paulo / SP - 05508.900

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1. Introduo

O termo trocador de calor a placas e a sigla PHE ( plate heat exchanger) sonormalmente usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas: o trocadorde calor a placas com gaxetas (gasketedplate heat exchangerou plate and frameheatexchanger). Entretanto, existem ainda outros tipos menos comuns de trocadores a placas,como o espiral ou o de lamela. Em todos eles, os fluidos escoam por estreitos canais etrocam calor atravs de finas chapas metlicas. Neste artigo sero apresentados ostrocadores a placas com gaxetas, destacando suas principais caractersticas de construoe de operao. Alguns exemplos de PHEs so mostrados na Figura 1.

Figura 1: Diferentes modelos de trocadores de calor a placas com gaxetas ou PHEs(APV/Invensys)

Os PHEs foram introduzidos comercialmente na dcada de 30 para atender s exigncias

de higiene e limpeza das industrias alimentcias e farmacuticas, pois eles podem serfacilmente desmontados, limpos e inspecionados. Entretanto, contnuos aperfeioamentostecnolgicos tornaram o PHE um forte concorrente aos tradicionais trocadores de casco-e-


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tubos ou duplo-tubo em vrias outras aplicaes industriais. Atualmente os PHEs soextensamente empregados em diversos processos de troca trmica entre lquidos compresses e temperaturas moderadas (at 1,5 MPa e 150 oC) quando se deseja altaeficincia trmica.

2. Construo e Materiais

Os PHEs so formados basicamente por um pacote de finas placas metlicas prensadasem um pedestal, como mostra a Figura 2. O pedestal possui uma placa fixa, uma placade aperto mvel, barramentos inferior e superior e parafusos de aperto. As placas fixa ede aperto possuem bocais para conexo das tubulaes de alimentao e de coleta dosfluidos.

Figura 2: Trocador de calor a placas aberto e suas partes

principais

As placas do PHE possuem orifcios nos cantos para a passagem dos fluidos e so seladasnas extremidades por gaxetas (tambm chamadas de juntas) de material elastomrico.Quando as placas so alinhadas e prensadas no pedestal, forma-se entre elas uma srie decanais paralelos de escoamento. A parte central da placa corrugada (ondulada) paraaumentar a turbulncia do escoamento dentro destes canais e tambm para aumentar aresistncia mecnica do pacote de placas, que pode ter de 3 a 700 placas dependendo dacapacidade do pedestal.

Existe uma grande variedade de tamanhos e desenhos de placas, como pode ser visto naFigura 3. A rea de troca trmica por placa varia de 0,03 a 3,6 m2 e a espessura da chapa de cerca de 1 mm. Os tipos mais comuns de corrugaes so a chevron (ou espinha depeixe) e a washboard(ou tbua de lavar), indicados na Figura 3. O ngulo deinclinao das ranhuras chevron um parmetro muito importante para odimensionamento do PHE pois ele tem forte influncia sobre os coeficientes de trocatrmica e sobre a perda de carga dos fluidos.


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Figura 3: Variedade de tamanhos e desenhos de placas para

os PHEs (SEC Plate and Frame)

O pedestal do PHE normalmente construdo em ao carbono com pintura anticorrosiva.J as placas so feitas de algum metal dctil que possa ser laminado e prensado e quetambm seja resistente corroso. Para a maior parte das aplicaes usa-se o ao

inoxidvel AISI-316, mas outros materiais mais nobres podem ser utilizados como otitnio ou ligas de cobre e nquel, dependendo das condies de processo. As gaxetas sofabricadas com elastmeros, em especial as borrachas butlicas e nitrlicas. Outrosmateriais, como o amianto, podem ser usados quando se deseja trabalhar comtemperaturas superiores a 150 oC.

3. Configurao

O espao compreendido entre duas placas um canal de escoamento, que pode ter umaespessura de 1,5 a 5 mm. O fluido entra e sai dos canais atravs dos orifcios nas placas e

o seu caminho por dentro do PHE definido pelo desenho das gaxetas, pelos orifciosabertos e fechados das placas e pela localizao das conexes de alimentao. Aconfigurao do PHE define as trajetrias dos fluidos quente e frio dentro do trocador eexiste um grande nmero de possibilidades de configurao.

A distribuio do fluxo pelos canais do PHE feita na forma de passes, compostos porum certo nmero de passagens. Cada vez que o fluxo muda de sentido, muda-se depasse. Na Figura 4 mostrado um exemplo de configurao para um PHE com noveplacas, onde possvel observar os orifcios abertos e fechados das placas e tambm odesenho das gaxetas que definem a direo e o sentido do escoamento em cada canal. No

caso deste exemplo tm-se oito canais de escoamento, o fluido quente faz dois passes deduas passagens e o fluido frio faz quatro passes de uma passagem.


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Mesmo sendo um trocador verstil, compacto e de alta eficincia trmica, o PHE possuilimitaes de operao impostas pelo uso intensivo de gaxetas. A seguir soapresentadas as principais vantagens e desvantagens deste tipo de trocador de calor.

4.1 Principais Vantagens dos PHEs

- Limpeza: como o PHE desmontvel, possvel limpar e inspecionar todas as partesem contato com os fluidos. No processamento de produtos alimentcios ou farmacuticosesta caracterstica fundamental.

- Flexibilidade: os PHEs so muito flexveis; adicionando ou removendo placas elespodem ser redimensionados para novas condies de processo. A rea de troca trmicade um PHE pode variar entre 0,1 e 2500 m2 dependendo do tipo e do nmero de placas.

- Economia: como os PHEs so compactos, podem ser usados materiais mais nobres na

fabricao das placas, o que seria proibitivo em trocadores mais robustos como o casco-e-tubos. O espao para instalao tambm bastante reduzido para os PHEs. Um mesmopedestal pode at acomodar mais de uma seo de troca trmica utilizando placasespeciais chamadas grades conectoras, essenciais nos processos de pasteurizao ondeo fluido de processo aquecido e depois resfriado no mesmo trocador.

- Rendimento Trmico: os PHEs so trocadores de alta eficincia trmica, sendo possvelobter diferenas de temperatura de at 1 oC entre os fluidos.

- Turbulncia: as placas corrugadas aumentam a turbulncia do escoamento dentro dos

canais. Desta forma, possvel obter o regime turbulento de escoamento com valores denmero de Reynolds da ordem de 20 a 400 dependendo do tipo de placa (vale lembrarque o valor mnimo de Reynolds para escoamento turbulento em tubos lisos 2.300). Aturbulncia tambm reduz a formao de incrustaes pois mantm os slidos emsuspenso. Os fatores de incrustao ( fouling factors) para os PHEs soaproximadamente dez vezes menores daqueles adotados para os trocadores casco-e-tubos.

- Vazamentos nas gaxetas: as gaxetas possuem respiros que impedem que os fluidos semisturem no caso de alguma falha, o que tambm facilita a localizao de vazamentos.

4.2 Principais Desvantagens dos PHEs

- Presso: presses superiores a 1,5 MPa no so toleradas, pois ocasionam vazamentosnas gaxetas. Existe a possibilidade de soldar as placas umas s outras para operar sobaltas presses, como nos trocadores a placas brazados, mas o PHE perde a suaflexibilidade e no pode mais ser limpo internamente.

- Temperatura: para que o PHE possa trabalhar acima de 150 oC necessrio o uso degaxetas especiais, pois as de material elastomrico no suportam tal condio.

- Perda de Carga: devido s placas corrugadas e ao pequeno espao de escoamento entreelas, a perda de carga por atrito alta, o que eleva os custos de bombeamento. Para


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diminuir a perda de carga pode-se aumentar o nmero de passagens por passe para que ofluxo seja dividido em um nmero maior de canais. Desta forma a velocidade deescoamento dentro dos canais ser menor, reduzindo o fator de atrito. Todavia, istotambm reduzir o coeficiente convectivo de troca trmica e a eficincia do trocador.

- Mudana de Fase: em casos especiais os PHEs podem ser usados em operaes decondensao ou de evaporao, mas eles no so recomendados para gases e vaporesdevido ao espao reduzido dentro dos canais e s limitaes de presso.

- Fluidos: o processamento de fluidos de alta viscosidade ou contendo materiais fibrososno recomendado por causa da alta perda de carga e de problemas de distribuies defluxo dentro do PHE. Deve-se verificar ainda a compatibilidade entre os fluidos e omaterial de fabricao das gaxetas.

- Vazamentos nas placas: a frico entre placas pode desgastar o metal e formar

pequenos furos de difcil localizao. Como precauo, aconselhvel pressurizar ofluido de processo para que, no caso de vazamento na placa, o fluido de utilidade no ocontamine.

- Dimensionamento: os mtodos rigorosos de dimensionamento dos PHEs ainda sopropriedade dos fabricantes e so especficos aos modelos comercializados. Emcontrapartida, mtodos genricos de dimensionamento para trocadores casco-e-tubos ouduplo-tubo encontram-se disponveis na literatura aberta. Recentemente os presentesautores apresentaram uma metodologia para a seleo da configurao tima no projetode PHEs.

5. Aplicaes

De forma geral, os PHEs so utilizados em operaes de resfriamento, aquecimento oude recuperao de calor entre lquidos com temperaturas inferiores a 150 oC e pressesno maiores que 1,5 MPa. Eles so extensivamente usados no processamento deprodutos alimentcios como laticnios, sucos e cervejas e tambm na indstriafarmacutica para esterilizao de meios de cultura. A facilidade de limpeza interna e decontrole da temperatura dos PHEs so fundamentais para estes processos industriais.

Uma das aplicaes mais importantes dos PHEs na pasteurizao do leite. Nesteprocesso o PHE dividido em trs sees de troca trmica, uma para aquecimento doleite cru at a temperatura de pasteurizao, outra para resfriamento do leite pasteurizadoat a temperatura de embalagem e uma seo para recuperao de calor. Nesta ltimaseo, designada regenerao, o leite cru pr-aquecido usando o leite quentepasteurizado e a recuperao de calor pode ser superior a 90 %. Na Figura 6, o processode pasteurizao esquematizado e pode-se observar as trs sees de troca trmicaocupando o mesmo pedestal do PHE. As grades conectoras so usadas para separar assees.


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Figura 6: Esquema do processo de pasteurizao indicando as trs sees do PHE

Outra importante aplicao dos PHEs no sistema central de resfriamento de plantaspetroqumicas, metalrgicas, de papel e celulose ou de gerao de energia. Usando guado mar, de rios ou de uma torre de resfriamento, o PHE resfria um circuito fechado degua tratada que atende o processo. Desta forma, os problemas de corroso e deincrustao nos equipamentos do processo so transferidos para o PHE, que pode serfabricado em titnio para operao com gua do mar.

6. Onde Saber Mais

Livros sobre troca trmica normalmente trazem um captulo dedicado aos trocadores aplacas contendo informaes importantes sobre suas caractersticas, aplicaes, detalhes

de construo e de operao e tambm equaes bsicas para clculo da troca trmica eda perda de carga. Algumas das publicaes mais significativas esto listadas nabibliografia deste artigo.

Outras fontes interessantes de informao so algumas pginas de fabricantes ecomerciantes de trocadores a placas disponveis na internet:

- Alfa Laval http://www.hvac.alfalaval.com

- API Heat Transfer http://www.apiheattransfer.com

- APV/Invensys http://www.apv.invensys.com

- Cipriani Scambiatori http://www.cipriani.it

- FlatPlate http://www.flatplate.com

- HRS Heat Exchangers http://www.hrs.co.uk

- PHE Brasil http://www.phe.com.br

- Polaris Plate Heat Exchangers http://www.polarisphe.com


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- SEC Plate and Frame http://www.secplateandframe.com

- SWEP Heat Exchangers http://www.swep.se

- Tranter http://www.tranterphe.com

- WCR Regasketing http://www.wcr-regasketing.com

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPESP ao projeto Configuraes timaspara Trocadores de Calor a Placas (00/13635-4).

Bibliografia

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http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm

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