Trocadores de calor, solução para reduzir os gastos energéticos em seu processo?

Vamos apresentar um dos principais equipamentos envolvidos nessa integração, os trocadores de calor, mas, o que são eles? Como funcionam?


O que são e para que servem?

Os trocadores de calor, como o próprio nome diz, são equipamentos projetados para troca ou transferência de calor de um meio para outro, sem contato direto entre eles. Na indústria, esse meio é um fluido, que pode ser um líquido ou um gás.

Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca misturam-se, ou podem estar em contato direto. Um permutador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determinado fluido. São amplamente usados em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural, e tratamento de águas residuais.


Um exemplo de trocador do nosso cotidiano é o ar condicionado. Ele possui um sistema de serpentinas que contém um gás refrigerante. Nesse sentido, a serpentina é responsável por separar fisicamente o ar do ambiente e o fluido, impedindo que se misturem e permitindo que troquem calor.


Existe também uma bomba que faz com que o fluido circule. Assim, quando o ar quente do ambiente entra no equipamento, perde calor para o fluido mais frio na serpentina. Como consequência, ocorre a saída de ar ambiente a uma temperatura mais baixa.


Desse modo, existem diversas aplicações para os trocadores de calor como será visto no próximo tópico. É interessante notar que ele pode ser usado não só para resfriar correntes quentes e aquecer correntes frias, que são necessidades diretas do processo. Além disso, ele é essencial para aproveitamento de energia, como ocorre na integração energética.


Importância do trocador de calor nas Indústrias

Agora que você já entendeu o que são os trocadores de calor, você deve estar se perguntando por que são tão importantes. Assim, explicaremos a seguir um pouco mais a respeito da sua importância.


Muitas vezes nas indústrias dos mais diversos setores, a temperatura de operação dos processos é de suma importância. Isso pois é responsável pela ocorrência ou não de reações químicas, por seus rendimentos e velocidades.

Nesse sentido, os trocadores são os equipamentos termodinâmicos que tornam possível o estabelecimento das substâncias envolvidas nos processos em uma temperatura ideal, do ponto de vista da segurança e eficiência da produção. Ou seja, a partir da troca de calor entre dois fluidos postos em contato indireto, dentro do trocador, há um ajuste de temperatura da substância de interesse.


Somado a isso, ao longo de todo processo industrial, há sempre uma parcela de energia que é desperdiçada. Essa energia quase sempre vem em forma de calor, o que representa, muitas vezes, gastos adicionais.


Dessa maneira, os trocadores desempenham papel fundamental no aproveitamento energético, utilizando, por exemplo, o calor de correntes de vapor e condensado, que seriam descartadas, para aquecer substâncias de interesse do processo.


Tipos de trocadores de calor

Suponha, por exemplo, que você produza, em sua indústria, bebidas lácteas. Antes do envase de seu produto, é necessário que seja realizada uma esterilização mas, para isso, a temperatura do líquido deve atingir cerca de 145°C. Mas como atingi-la? À primeira vista, a resposta é simples: com trocadores de calor.


No entanto, apesar de todos os trocadores de calor apresentarem o mesmo princípio, existem diversos tipos e cada um deles conta com mecanismos diferentes para efetuar a troca de calor entre os fluidos. Assim, entender suas principais características é um bom começo para identificar o ideal para o seu processo. Abordaremos, então, os principais tipos de trocadores de calor: o trocador de placas, de casco e tubos e o tubular.


Trocador casco e tubos

O trocador de casco e tubos, é o trocador de calor mais utilizado em diversas condições e capacidades de operação, sendo, pois, muito versátil. Diferentemente do trocador de placas, ele é composto, como o próprio nome já diz, por dois elementos principais: o casco e uma série de tubos dispostos em seu interior.


Ao longo dos vários ductos, muitas vezes centenas, escoa um dos fluidos e, no exterior, entre o casco e os tubos, escoa um segundo. Vale ressaltar que o fluido de interesse para o qual deseja-se ajustar a temperatura pode escoar tanto dentro dos ductos internos quanto fora deles. Assim, é interessante que seja feita uma análise para verificar qual situação é a mais adequada.


Dessa maneira, como representado no esquema abaixo, essa segunda substância, geralmente vapor ou água líquida, escoa entre os tubos, ocorrendo, então, a troca térmica na superfície dos ductos. Isso mostra-se algo muito eficiente uma vez que, considerando-se o grande número de tubos presentes, a área superficial de troca térmica é extensa, o que implica uma agilidade no ajuste de temperatura.


Trocador de placas

O trocador de placas consiste em uma série de pratos paralelos, que são colocados um sobre o outro, para permitir a formação de canais de fluido. Desse modo, possui duas passagens, uma para o fluido frio e outra para o quente que circulam em sentidos opostos (contracorrente).


Trocador de calor Tubular

Trocadores tubulares possuem algumas variações em termos de geometria. Talvez o exemplo mais simples seja o condensador de Liebig, empregado em colunas de destilação laboratoriais. Nesse caso, tratam-se de dois tubos concêntricos destinados à condensação da corrente de topo da destilação. O destilado escoa pelo tubo interno enquanto é resfriado e, consequentemente, condensado, pelo fluido frio do tubo externo, o qual costuma ser água.


Entretanto, para aplicações industriais, os trocadores tubulares costumam apresentar a configuração de “grampo” (hairpin). Nessa geometria, todas as conexões de entrada e saída concentram-se em uma mesma extremidade. Além disso, muitas vezes, são observados mais de um tubo interno, o qual também pode contar com aletas para aumento da troca térmica.


De maneira geral, pode-se classificar os trocadores tubulares nas categorias: bitubular linear, bitubular grampo, multitubular e aletados.


Como escolher o melhor para o seu processo?

Como mencionado anteriormente, os trocadores podem ser classificados em diferentes tipos dependendo da geometria do equipamento empregado para a troca de calor. Para cada tipo, existem diferentes parâmetros que afetam sua eficiência e a determinação correta desses parâmetros é o chamado “dimensionamento do trocador”.


A título de exemplo, voltando à situação hipotética das bebidas lácteas, a esterilização deve ocorrer de maneira extremamente rápida, para que as propriedades do produto sejam preservadas. Para isso, os trocadores de calor e outros parâmetros do processo devem estar muito bem dimensionados, caso contrário a esterilização não ocorrerá de maneira ideal.


Apesar da especificação dos parâmetros dos trocadores não ser uma tarefa simples, a escolha dentre os diferentes tipos apresentados é algo que pode ser pensada. Para tal, é necessário analisar as características inerentes ao processo.


Isto é, por mais que não seja muito fácil determinar o número de tubos ideal para um trocador casco e tubos, muitas vezes é possível discernir as situações em que você deve optar por esse tipo de trocador, ou um tipo placas, de maneira quase intuitiva.


Assim, as comparações apresentadas entre os trocadores servem como base para que você possa analisar qual o ideal para o seu processo. Entretanto, para ter certeza de quais as especificações (por exemplo, o tamanho) do trocador que deve ser adquirido, é necessário realizar um dimensionamento correto!


Ademais, como mencionamos, o trocador de calor é um equipamento fundamental para a integração energética. Dessa maneira, pode contribuir para a redução de custos com energia do processo como um todo, além de torná-lo mais sustentável.


Manutenção

Trocadores de calor de placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente. Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por métodos tais como a limpeza ácida, jateamento, jato de água de alta pressão, limpeza por bala, ou por hastes.


Em grande escala os sistemas de refrigeração de água para trocadores de calor, tratamento de água tal como a purificação, a adição de produtos químicos e testes, são usados para minimizar o sujar de equipamento de troca de calor. Outros tratamentos de água também são usado em sistemas de vapor para usinas de energia, etc, para minimizar a incrustação e corrosão da troca de calor e outros equipamentos.


Uma variedade de empresas começaram a utilizar a água ter tecnologia de oscilações para evitar bioincrustação. Sem o uso de produtos químicos, este tipo de tecnologia tem ajudado na provisão de uma baixa queda de pressão em trocadores de calor.


Na indústria

Trocadores de calor são largamente usados na indústria tanto para resfriamento e aquecimento em larga escala em processos industriais. O tipo de tamanho de trocadores de calor usados pode ser adaptado a um processo dependendo do tipo de fluido, sua fase, temperatura, densidade, viscosidade, pressões, composição química e várias outras propriedades termodinâmicas.


Em muitos processos industriais existe desperdício de energia ou uma corrente de calor que está sendo exaurida, trocadores de calor podem ser usados para recuperar este calor e colocá-lo em uso pelo aquecimento de uma outra corrente no processo. Esta prática poupa uma quantidade de dinheiro na indústria como o calor fornecidos a outras correntes dos trocadores de calor que de outra dorma viria de fonte externa a qual é mais custosa e mais nociva ao ambiente.


Trocadores de calor são usados em muitas indústrias, algumas das quais incluem:


Tratamento de águas residuais

Sistemas de refrigeração

Indústria de vinhos e cervejarias

Indústria do petróleo.

Indústria química pesada


TROCADORES DE CALOR PARA A INDÚSTRIA QUÍMICA

Químicos dominam o mundo alimentos, combustíveis, medicamentos, fertilizantes, plásticos, sabões, baterias e telefones inteligentes - quase tudo que fabricamos ou extraímos da terra está ligado à química. A indústria química é um dos setores mais inovadores e de crescimento mais rápido, com 70% de sua produção sendo usada por outras indústrias em todo o mundo.

TROCADORES DE CALOR PARA A INDÚSTRIA PETROQUÍMICA

Os trocadores de calor envolvidos nas diferentes etapas de transformação do petróleo e do gás natural são sujeitos a restrições ambientais severas e níveis de pressão elevados.


TROCADORES DE CALOR PARA A INDUSTRIA AGRO

O processo de secagem com trocadores de calor para o setor agro possibilita a manutenção da qualidade do grão, evitando a exposição às intempéries, o que normalmente ocorre quando é secado de maneira convencional (popular terreiro), evitando também danos mecânicos ou a quebra por parte da movimentação do grão.

Desenvolvido especialmente para silos secadores, o Trocador de Calor além de economizar em combustível, obtém uma secagem de grãos com qualidade, sem fumaça e com maior aproveitamento energético.

No processo de secagem utilizado pelo Trocador de Calor, o fogo não bate diretamente nos tubos de aquecimento, o que prolonga a vida útil do equipamento e torna sua limpeza e manutenção muito mais fácil.


TROCADORES DE CALOR PARA A INDÚSTRIA SUCROENERGÉTICA

A elaboração do açúcar a partir da cana-de-açúcar ou da beterraba é um processo industrial que demanda uma grande quantidade de energia. A otimização do processo depende do bom dimensionamento dos trocadores de calor.


TROCADORES DE CALOR PARA A INDÚSTRIA DE BEBIDAS

A elaboração das bebidas (refrigerantes, sucos de frutas, cervejas, vinhos, champanhe, conhaque, armagnac, uísque, licores, águas minerais, águas de fontes, etc.) é sujeita a restrições de higiene que requerem soluções customizadas fáceis de limpar e controlar, e conformes às normas alimentares em vigor.


Portanto, devem atender a altas exigências em matéria de fiabilidade, devido à natureza dos fluidos veiculados (inflamável, explosiva, perigosa para o meio ambiente, etc.). Isto impõe geralmente o uso de trocadores tubulares


Na indústria de tratamento de águas residuais, trocadores de calor desempenham um papel vital na manutenção ótima de temperaturas internamente a digestores anaeróbicos a fim de promover o crescimento de micro-organismos que removem os poluentes das águas residuais. Os tipos mais comuns de trocadores de calor utilizados nesta aplicação são o trocadores de calor de duplo tubo, bem como os trocadores de calor de placa e quadro.


Em aeronaves

Em aeronaves comerciais, trocadores de calor são usados para tomar calor do sistema de óleo do motor a aquecer combustível frio. Isto melhora a eficiência do combustível, assim como reduz a possibilidade de água aprisionada no combustível congelado em componentes.


No início de 2008, um Boeing 777 voando como British Airways Flight 38 acidentou-se pouco após a pista. No início de 2009 Boeing atualizou informações para os operadores de aeronaves, o problema foi identificado como específico dos trocadores de calor do fluxo de óleo do motor Rolls-Royce.


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