Trocador de calor: definição, funcionamento, tipos e aplicações
O que é um trocador de calor?
O trocador de calor é um equipamento que transfere continuamente calor de um meio para outro. Em termos de funcionamento, existem dois tipos principais: diretos e indiretos.
Os trocadores de calor direto são aplicáveis em meios que estão em contato direto e não se misturam. Um bom exemplo são as torres de resfriamento, que resfriam a água por meio do contato direto com o ar.
Nas aplicações de trocadores de calor indireto, os meios são separados por uma parede responsável pela transferência de calor. Eles estão disponíveis em vários tipos: a placa, tubo, espiral, etc.
Na maioria dos casos, os trocadores a placa oferecem melhores soluções para problemas térmicos, fornecendo amplos limites de pressão e temperatura alinhados aos padrões do equipamento.
Teoria da transferência de calor
Pelas leis naturais da física, quando há uma diferença de temperatura, o calor sai do corpo ou fluido mais quente e é transferido para o meio mais frio. Um trocador de calor segue este princípio para alcançar a equalização.
Com um trocador de calor a placas, o calor penetra na superfície, separando o meio quente do frio com facilidade. Desta forma, é possível aquecer ou resfriar fluidos ou gases com níveis mínimos de energia.
A teoria da transferência de calor é determinada por três regras básicas:
- O calor sempre é transferido de um meio quente para um meio frio
- Os meios sempre devem apresentar diferença de temperatura
- O calor perdido pelo meio quente é igual à quantidade de calor ganho pelo meio frio, exceto pelas perdas para os arredores
Tipos de trocadores de calor
Como mencionamos, existem dois tipos principais de trocadores de calor:
- Trocador de calor direto, onde os fluidos não se misturam (torre de resfriamento).
- Trocador de calor indireto, no qual dois fluidos são separados por uma superfície pela qual o calor é transferido.
Neste momento, abordaremos apenas os trocadores de calor indiretos, disponíveis em vários modelos Alfa Laval.
Os principais tipos de trocador de calor utilizados pela indústria são:
Trocador de calor a placas brasado
A escolha ideal para:
- Temperaturas extremas (até 550 ºC)
- Espaços pequenos
- Pressões extremamente altas
Benefícios:
- Eficiência na transferência de calor (solda das placas de cobre)
- Livre de manutenção
- Longa vida útil
Trocador de calor a placas por fusão
A escolha ideal para:
- Temperaturas extremas (até 550 ºC)
- Área de higiene de água potável
- Meios agressivos
Benefícios:
- Eficiência de 100% na transferência de calor em aço inoxidável
- Livre de manutenção
- Longa vida útil
Trocador de calor a placas gaxetado
A escolha ideal para:
- Aplicações individuais
- Mudanças de capacidade
Benefícios:
- Alta eficiência energética
- Segurança operacional
- Facilidade de operação e baixos custos de manutenção
Como funciona um trocador de calor?
A animação mostra o princípio de funcionamento de um trocador de calor a placas com gaxeta de uma passagem para líquidos/líquidos, onde os fluidos correm em contracorrente através do trocador de calor.
O líquido quente (vermelho) normalmente entra por uma das conexões superiores e sai pela conexão inferior. O líquido frio (azul) entra por uma das conexões inferiores e sai pela conexão superior.
Conforme os fluidos passam pelo trocador, ocorre a transferência de calor do meio quente para o meio frio. O fluxo em contracorrente permite a recuperação de calor e a aproximação da temperatura máxima alcançada pelo equipamento.
A temperatura cruzada também é possível, o que significa que a saída quente pode atingir uma temperatura mais baixa que a saída fria. Isso só pode ser alcançado de forma limitada, com trocadores de calor tubulares, tornando os trocadores de calor a placas mais eficientes termicamente.
Os fluidos entram pelas conexões e pequenas portas das placas de transferência de calor, que foram projetadas para direcionar os fluidos quentes e frios de forma que fluam em contracorrente em canais alternados. Quando o fluido entra entre as placas, ele passa pela área de distribuição.
A Alfa Laval oferece dois tipos de áreas de distribuição: o nosso CurveFlowTM patenteado e o padrão de chocolate. A área de distribuição é uma das características mais importantes do trocador de calor a placas. Seu principal objetivo é garantir um fluxo de fluido uniforme em toda a placa, maximizando a eficiência da transferência de calor e minimizando a má distribuição e a incrustação. Na animação você pode notar que a área de distribuição ajuda os fluidos a preencher rapidamente toda a seção transversal das placas.
Para meios muito sensíveis ao calor, o fluxo de corrente é usado em trocadores de calor a placas com gaxeta. A vantagem deste modelo é que o fluido mais frio encontra o fluido mais quente enquanto entra no trocador de calor, minimizando o risco de superaquecimento ou congelamento de meios sensíveis.
A animação mostra o princípio de funcionamento de um trocador de calor a placas com gaxeta convencional, mas o mesmo princípio de funcionamento também é aplicável a linhas especializadas, como os nossos trocadores de calor a placas WideGap e semi-soldados.
O que determina a eficiência dos trocadores de calor a placas?
O que decide a eficiência energética do trocador de calor a placas é a eficiência térmica ou a eficiência do processo. Ela mostra a razão entre a energia térmica absorvida e a energia térmica liberada, ou seja, qual porcentagem do calor foi realmente transferida entre os dois meios. Vale destacar que, em condições práticas, atingir o percentual de 100% é possível apenas teoricamente, já que os trocadores de calor sempre produzem pequenas perdas para o meio ambiente.
Mas com os sofisticados trocadores de calor Alfa Laval, a eficiência térmica se aproxima dos 100%, diferente dos trocadores de calor convencionais, cuja eficiência térmica tende a ser surpreendentemente baixa.
Na maioria dos casos, os trocadores de calor a placas são os mais eficientes!
Eles oferecem a melhor solução para problemas térmicos, fornecendo amplos limites de pressão e temperatura.
Aplicações industriais de um trocador de calor
Embora o princípio de transferência de calor seja o mesmo independente do meio, é preciso diferenciar as três principais aplicações:
Água/Água
A maior parte da produção de trocadores de calor Alfa Laval é aplicada em água/água (aquecida ou gelada).
Água gelada: água em baixas temperaturas, como em torres de resfriamento, de lagos, rios ou mar.
Água aquecida: água em altas temperaturas como, por exemplo, aquecimento urbano, caldeiras ou água quente de processo.
Alguns usos típicos de trocadores de calor de placas:
- Calefação/refrigeração distrital
- Aquecimento de água de torneira
- Aquecimento de piscina
- Recuperação de calor (resfriamento de motor)
- Controle de temperatura em pisciculturas
- Indústria siderúrgica (resfriamento de forno)
- Indústria de energia (refrigeração central)
- Indústria química (resfriamento de processos)
Água/Óleo
Em algumas indústrias, o óleo é resfriado com água, que pode estar conectada a um sistema para recuperação de calor do óleo para diversos usos, como aquecimento de água de torneira.
Alguns usos típicos de trocadores de calor a placas:
- Resfriamento de óleo hidráulico
- Resfriamento do óleo de refrigeração
- Resfriamento do óleo do motor em bancadas de teste de motores
Os trocadores de calor a placas podem operar com óleos com viscosidades elevadas, como 2.500 centiPoise (CP). As emulsões, também usadas em trocadores de calor a placas, podem ser tratadas como água quando as concentrações são inferiores a 5%.
Para o uso do óleo sintético, pode ser necessário usar juntas especiais. Se este for seu caso, por favor, entre em contato com a Alfa Laval para saber mais sobre essa aplicação.
Água/Glicol
Quando há risco de congelamento, o glicol é adicionado à água.
O glicol tem uma capacidade de calor diferente da água e, portanto, requer uma área de transferência de calor um pouco maior para realizar a mesma tarefa. Por outro lado, as propriedades físicas dos glicóis são muito semelhantes.
Exemplos de glicóis:
- Etilenoglicol (mono, di ou tri)
- Propileno glicol
Alguns usos típicos de trocadores de calor a placas:
- Como intercooler em bombas de calor
- Produção de água fria em alimentos
- Refrigeração de ar condicionado
Principais indústrias para aplicação de trocadores de calor
- Química
- Farmácia
- Marinha
- Biotecnologia
- Manuseio de fluidos
- Aplicativo HVAC
- Processo de aquecimento e resfriamento
- Resfriamento de óleo
- Refrigeração comercial
- Refrigeração industrial
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