Permutadores de calor

Realizado por Ana Rita Alves e Jéssica Ferreira. Integração e Intensificação de Processos, Mestrado Integrado em Engenharia Química, 2016/2017

Alterado por Ana Inês Alegre e Ana Margarida Dias. Integração e Intensificação de Processos, Mestrado Integrado em Engenharia Química, 2018/2019

O que são?

Os permutadores de calor são equipamentos que facilitam a transferência de calor entre dois fluidos a temperaturas diferentes, evitando a mistura destes. A transferência de calor num permutador, geralmente, envolve convecção em cada fluido e condução através da parede que separa os dois fluidos. A troca de calor entre os dois fluidos é um processo utilizado em diversas aplicações, desde a produção de energia a instalações domésticas. De um modo geral, é utilizado na maioria de processos ou equipamentos que necessitem de ser arrefecidos ou aquecidos.

Tabela 1 - Aplicações dos permutadores e respectivos sectores.
Sector/Indústria	Aplicações
Automóvel	Arrefecimento de Água e Óleo, Condensação e Evaporação no Sistema AC
Energia	Condensação e Evaporação de Água
Alimentar	Refrigeração e Pasteurização de Cerveja, Fogões, Processos de Aquecimento e Arrefecimento Industriais
Petróleo	Pré-aquecimento de Crude, Tratamentos Térmicos de Crude
Polímeros	Aquecimento de Granulados
Farmacêutica	Purificação de Água e Vapor
Doméstico	Sistemas de AVAC, Frigoríficos

Tipos de Permutadores de Calor

Classificação quanto à direcção do escoamento dos fluidos:

- Co-corrente ou em paralelo: os fluidos movem-se no mesmo sentido, isto é, ambos os fluidos entram e saem pelo mesmo lado do permutador;
  
  Figura 1. Permutador de calor de tubos concêntricos, em co-corrente^[1].

- Contra-corrente: os fluidos movem-se em sentidos diferentes e entram por extremidades opostas do permutador;

Figura 2. Permutador de calor de tubos concêntricos, em contra-corrente^[1].

Classificação com base na aplicação:
- Sem mudança de fase dos fluidos:
  - Líquido-líquido;
  - Gás-gás;
  - Gás-líquido;
- Com mudança de fase dos fluidos:
  - Condensadores (vapor/líquido - líquido; vapor/líquido - gás);
  - Evaporadores (vapor/líquido - líquido/vapor);
  - Caldeiras, ebulidores, destiladores (líquido/vapor - gás);

Permutadores de Calor de Tubos Concêntricos ou Double Pipe

O permutador de calor de tubos concêntricos (double pipe heat exchanger) é talvez o mais simples e o mais utilizado na indústria química, de todos os tipos de permutadores de calor, devido à sua fácil manutenção. Estes tipos de permutadores de tubos concêntricos podem possuir um feixe de tubos internos em vez de um único tubo. Os limites neste tipo de permutadores com um feixe de tubos são o número de tubos, em que o número máximo são 30 tubos e o diâmetro do tubo exterior é inferior a 200 mm. Tipicamente, os permutadores de calor de tubos concêntricos são projetados de modo a fornecer um fluxo em contra-corrente. Para além disso, estes são usados para processos que requerem baixa energia/ calor, onde as exigências relativamente à área de superfície são que esta seja inferior a 47 m². Caso o processo com que se está a lidar exija uma maior permuta de calor, podem ser acopladas várias unidades de permutadores de calor de tubos concêntricos (estes não necessitam de ter as mesmas dimensões) em série ou em paralelo, de modo a adequar-se ao espaço disponível.

Figura 3. Permutador de Calor de Tubos Concêntricos^[3].

O permutador de calor de tubos concêntricos mais amplamente utilizado é o hair pin. Neste permutador, as elevadas tensões produzidas pela dilatação diferencial térmica entre os tubos externos e internos são mais facilmente manipuladas.

A configuração mais simples de um permutador de calor de tubos concêntricos consiste num único tubo colocado concêntricamente dentro de um tubo de maiores dimensões, como já referido. O tubo interno pode ser liso ou possuir alhetas longitudinais ligadas, de forma a aumentar a superfície disponível para a transferência de calor.

Figura 4. Diferença de potencial de temperaturas em co-corrente (esquerda) e em contra-corrente (direita)^[3].

Observando a Figura 4, pode-se dizer que em contra-corrente o diferencial de temperatura entre os fluidos é aproximadamente constante ao longo do permutador. Isto significa que significa que o permutador de calor é mais eficiente com esta configuração, pois assim há uma eficiência equilibrada ao longo deste, tirando assim maior partido da área de transferência do equipamento. Já em co-corrente, verifica-se que há eficiência à entrada do permutador devido ao grande diferencial de temperaturas, mas este vai diminuindo ao longo do permutador e perdendo deste modo a sua eficiência.

De modo a ilustrar melhor o funcionamento de um permutador double pipe nos dois modos de escoamento, fica um vídeo onde mostra claramente os dois escoamentos e as suas driving forces.

Critérios de Seleção do Permutador de Calor de Tubos Concêntricos

Área de transferência de calor requerida;
Custo de equipamento (instalação, operação, manutenção);
Outros: peso (aeronáutico), tamanho (disponibilidade de espaço), facilidade de limpeza e/ou montagem, flexibilidade;
Dimensão final: 20 a 30% maior do que o projetado;
Valores típicos para a velocidade de escoamento:
- 1 a 3 m/s para líquidos no interior dos tubos;
- 5 a 70 m/s para gases no interior dos tubos.

Alocação das Correntes

O fluido a circular no interior dos tubos deve ser o:
- Mais sujo ou com maior tendência a causar incrustações;
- O que possui menor pressão;
- Mais corrosivo;
- Mais tóxico;
- Maior caudal;
- Maior temperatura;
- Menor Viscosidade;
- Fluido frio escoa para cima e fluido quente escoa para baixo.

Incrustações

A incrustação é definida como a acumulação de materiais indesejáveis nas superfícies dos equipamentos. Hoje em dia, um dos maiores problemas na operação e no projeto de equipamentos é a incrustação, que os afeta de duas formas:

Altera a geometria do permutador e vai continuar a crescer com o tempo, o que vai reduzir a eficiência do equipamento, afetando a queda de pressão;

A camada de incrustação, com baixa condutividade térmica, vai atuar como resistência à transferência de calor;

A incrustação leva a que exista um custo adicional no sector industrial, pois é necessário maior manutenção, maiores custos de energia, resultando também na perda de produção.

Figura 5. Double pipe com incrustações^[4]

Utilidades

Vapor

O vapor é a utilidade de calor mais comum utilizada na indústria química e, como resultado, a compreensão de como é utilizada é essencial para o estudo dos sistemas de utilidades. O vapor é usado tanto como um fluido de processo, mas também como utilidade. Este pode ser usado para impulsionar bombas e compressores, ejetores (para a produção de vácuo) e permutadores de calor. Portanto, pode-se concluir que o vapor é uma utilidade versátil e útil.

As vantagens de usar vapor relativamente a outros métodos de aquecimento de processos são:

Controlando a pressão do vapor, pode-se controlar a temperatura à qual o calor é libertado. Deter controlo sobre a temperatura é fundamental em vários processos.

O vapor é uma fonte de calor eficiente visto que o calor de condensação do vapor é bastante elevado, o que se traduz num elevado rendimento por massa de utilidade, a uma temperatura constante.
Os permutadores de calor que utilizam vapor são relativamente baratos dado que o vapor de condensação tem um coeficiente de transferência de calor elevado.
O vapor é não inflamável, não tóxico e inerte a vários fluidos de processo.

Água de Refrigeração

A água de refrigeração é utilizada para arrefecer e/ ou condensar correntes. A água de arrefecimento circula dentro de permutadores de calor, por exemplo. Cerca de 80% da redução da temperatura é devido à evaporação da água de arrefecimento e à transferência de calor para o ar envolvente. Esta água é geralmente filtrada para remover sais e impurezas que possam conduzir a incrustações, porém não é tratada.

Óleos Térmicos

Outra utilidade usada também em permutadores de calor do tipo double pipe, são os óleos térmicos. Estes possuem propriedades físico-químicas que facilitam a transferência de calor.

Vantagens do Permutador de Calor de Tubos Concêntricos

Este tipo de permutador é muito usado devido à sua simplicidade de construção, fácil desmontagem e fácil manutenção, resultando assim em baixos custos tanto de construção, como operação e manutenção.

Tipicamente D₀=3 cm e D_s=6 cm;
Podem ser utilizados em condições sujas pois podem ser facilmente limpos;
Bons para o aquecimento e arrefecimentos;
Sensível até 50m² de área de transferência de calor;
São bastante flexíveis;
Fáceis de montar, a partir de simples tubos e juntas;
Projeto simples;
Podem ser utilizados em co-corrente e contra-corrente;
Adequado para aplicações a altas pressões;
Manutenção simples;
Podem ser adicionadas facilmente unidades extra (em série ou em paralelo).

Desvantagens do Permutador de Calor de Tubos Concêntricos

Limitado a áreas requeridas baixas;
Não há fluxo cruzado;
Ocupam bastante espaço;
São relativamente caros (por unidade de transferência).

Custos

Na Figura 5 apresenta-se os custos unitários para os diferentes tipos de permutador, segundo o critério q/∆T_m.

Figura 5. Custo unitário por q/∆T_m^[8].

Balanços de energia em permutadores de calor

Nos permutadores de calor, a transferência de calor é feita através de um processo convectivo entre os dois fluidos, onde o fluído com a temperatura mais elevada transfere parte da sua energia para o fluido à temperatura mais baixa.

O balanço global de energia num permutador de calor é dado pela seguinte equação:

Uma vez que a driving-force (diferença de temperatura) varia ao longo do tempo, o calor perdido pode ser calculado através da média logarítmica da diferença de temperaturas . Dependendo do tipo de escoamento (contra ou co-corrente), o modo de cálculo deste parâmetro varia, uma vez que, para co-corrente, os dois fluídos circulam no mesmo sentido e a temperatura das duas correntes aproxima-se progressivamente uma da outra. Por outro lado, no escoamento em contra-corrente, os fluídos circulam em sentidos opostos havendo um decréscimo da temperatura das correntes na direção do escoamento do fluido mais quente.

Figura 6 . a) Diferença de temperaturas para escoamento em co-corrente. b) Diferença de temperaturas para escoamento em contra-corrente.^[5]

A quantidade de calor transferia entre os dois fluidos é dada pela seguinte equação:

O coeficiente global de transferência de calor pode ser obtido pela seguinte equação:

Para o cálculo do coeficiente de filme (h) é necessário o uso de correlações empíricas bem como o cálculo do número de Reynolds.

Referências

[1] https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/22906/1/Tese_Mestrado_43235_FINAL%20IMPRIMIR_2.pdf, acedido pela última vez a 18/05/2017;

[2] https://pt.wikipedia.org/wiki/Trocador_de_energia_t%C3%A9rmica, acedido pela última vez 18/05/2017;

[3] Çengel, Y.; A.Ghajar, A. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications. McGraw-Hill Inc., N.Y. , 2010;

[4] http://doras.dcu.ie/18012/1/Antonio_Llinares_Fontdev_20130115124926.pdf, acedido pela última vez a 23/02/2019;

[5] Apontamentos de Fenómenos de Transferência II, docente Maria Graça Carvalho, 2014/2015;

[6] https://processdesign.mccormick.northwestern.edu/index.php/Utility_systems#Cooling_Water, acedido pela última vez a 18/05/2017;

[7] http://www.webbusterz.org/what-is-a-double-pipe-heat-exchanger/, acedido pela última vez a 18/05/2017;

[8] https://books.google.pt/books?id=beSXNAZblWQC&pg=PA92&lpg=PA92&dq=double%20pipe%20heat%20exchanger%20cost&source=bl&ots=NWPpqxe7MN&sig=ReApgXa29Zrk3ZVZa8ikIezRhSs&hl=pt-PT&sa=X&ved=0ahUKEwio4rjF1aTSAhWC1RoKHVhNDLA4ChDoAQgrMAE#v=onepage&q=TABLE%20E2.4B&f=false, acedido pela última vez a 18/05/2017;

[9] http://energiaheliotermica.gov.br/pt-br/glossario/oleo-termico, acedido pela última vez a 18/05/2017;