PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR DE PLACAS

TROCADORES DE CALOR

Os trocadores de calor a placas têm sido amplamente usados ​​em muitos campos da indústria. O trocador a placas consiste em uma série de placas colocadas paralelamente umas às outras para permitir que uma série de canais sejam formados para permitir que o fluido flua entre eles.

O espaço entre duas placas adjacentes forma um canal através do qual o fluido flui. Os orifícios de entrada e saída nos cantos da placa permitem que fluidos quentes e frios passem por canais alternados no trocador, de forma que a placa esteja sempre em contato com o fluido quente de um lado e o fluido frio do outro.

O tamanho das placas pode variar de alguns centímetros quadrados (lado de 100 mm x 300 mm) a 2 ou 3 metros quadrados (lado de 1000 mm x 2500 mm). O número de placas em um único trocador varia de dez a várias centenas e pode atingir uma área de troca de superfície de até milhares de metros quadrados. Esta figura mostra o fluxo de fluido dentro do trocador. O fluido é dividido em várias correntes paralelas e pode produzir uma contracorrente ideal.

Geralmente, essas placas são onduladas de forma a aumentar a turbulência, a superfície de troca térmica e conferir rigidez mecânica ao trocador. A corrugação é obtida por forjamento a frio de folhas de metal com espessuras de 0,3 mm a 1 mm.

Os materiais mais usados para as placas são aço inoxidável (AISI 304, 316), titânio e alumínio.

A corrugação nas placas força o fluido a um caminho tortuoso, estabelecendo um espaço entre duas placas adjacentes b, de 1 a 5 milímetros.

Os fluidos podem cruzar os canais em série (uma solução menos comum) ou em paralelo fazendo configurações contracorrente ou corrente.

A configuração serial é usada quando há uma pequena taxa de fluxo para cada fluido, mas alto salto de calor; o maior problema é com uma alta queda de pressão e uma contracorrente imperfeita.

A configuração paralela com canais de contracorrente é usada para altas taxas de fluxo com quedas moderadas de temperatura e é a mais amplamente usada.

Quando há uma grande diferença entre as taxas de fluxo (ou entre a queda de pressão máxima permitida) dos dois fluidos, o trocador pode funcionar duas vezes pelo fluido com um fluxo menor (ou perdas maiores) para equilibrar os valores de quedas de pressão ou específicas vazões nos canais.

A figura mostra as diferentes configurações: em paralelo, em série e misto.

Um dos problemas mais comuns dos trocadores de calor a placas é o fornecimento irregular de todos os canais em paralelo. Na verdade, o fluido tende a se distribuir em maiores quantidades nos primeiros canais do que nos últimos, a fim de equilibrar a queda de pressão.

Conforme o número de placas aumenta, a distribuição uniforme diminui, resultando em uma diminuição no desempenho geral do trocador.

Existem dois tipos básicos de trocadores de calor de placas: Trocadores de calor de placas BPHE-Brasado e PHE-Trocadores de calor de placas.

Trocadores de calor de placa e estrutura

No PHE as placas criam uma moldura onde as placas são pressionadas com cabeçotes e barras de ligação, e a vedação é garantida por gaxetas. As gaxetas , além do efeito vedante, servem para direcionar o fluxo dos fluidos e são colocadas ao longo das ranhuras das bordas das placas.

As temperaturas máximas utilizadas para a vedação dos trocadores de calor estão entre 80°C e 200°C, enquanto as pressões podem chegar a 25 bar.

As juntas estão disponíveis em vários tipos de borracha butílica ou silicone.

As principais características desses tipos de trocadores de calor são:

- Desmontagem rápida e fácil para operações de limpeza e controle

- Adaptação a condições variáveis de operação adicionando ou removendo placas de calor para modificar o fluxo térmico instalado

- Eventuais vazamentos de fluido devido à vedação não perfeita de as gaxetas não contaminam o outro fluido, mas são direcionadas para longe

- Materiais que são mal adaptados à soldagem, como titânio, podem ser usados

- As gaxetas limitam os valores máximos de pressão e temperatura

- Custos potencialmente elevados devido ao design de moldes, prensas e todo o processo de produção

- Alto custo das gaxetas

Trocadores de calor brasados

Os trocadores de calor a placas brasadas não têm cabeçotes, barras de ligação ou juntas de vedação porque as placas são brasadas em forno a temperaturas de 1100 ° C.

Durante a fase de montagem, uma folha de material de brasagem (geralmente cobre, mas também níquel) é colocada entre as placas, o pacote é prensado e posteriormente cozido por algumas horas.

O trocador BPHE é mais compacto, mais leve e menos volumoso do que um com juntas.

A imagem mostra o caminho feito pelo fluido quente e frio.

O material de brasagem desempenha a função tanto das juntas quanto da estrutura.

Esses trocadores são geralmente usados com placas onduladas chevron, que são montadas alternando as direções da ondulação para criar um contato de rede.

Os pontos de cruzamento entre as ondulações de duas placas acopladas formam uma densa rede de pontos de contato que conferem estanqueidade à pressão e induzem correntes de turbilhão que melhoram a troca de calor.

Desta forma, a turbulência dos fluidos é alta mesmo em velocidades de entrada nominais baixas e o fluxo passa de laminar para turbulento para taxas de fluxo baixas.

A figura mostra uma seção transversal de um trocador com 8 placas no total (6 das quais são úteis para a troca de calor) em que os 3 canais usados para a passagem do fluido refrigerante (em azul claro) e os 4 para água (em vermelho ) são vistos.

Percebe-se de imediato que o caminho percorrido pelos fluidos é caótico, de fato, a seção transversal varia continuamente.

A principal desvantagem desses trocadores é que eles não são removíveis e, portanto, a manutenção e a limpeza não são possíveis ou pelo menos difíceis, e não existe flexibilidade porque o número de placas não pode ser alterado de forma alguma.

A superfície das placas é ondulada para aumentar a turbulência do fluido durante o escoamento para os canais.

A figura destaca os principais parâmetros geométricos da ondulação:

Passo de ondulação p ; altura de ondulação be ângulo chevron β em comparação com a direção principal do fluxo.

A inclinação das ondulações da placa tem um efeito determinante na troca térmica e nas perdas de carga. Na verdade, um par de placas com um ângulo β alto (> 45 °) dá uma turbulência e, portanto, uma alta troca de calor com uma queda de pressão maior.

Um ângulo menor (β <45 °) causa um menor fluxo de turbulência e menores coeficientes de troca de calor, mas também menores quedas de pressão.

A busca por um ângulo β comprometedor entre altos coeficientes de troca e perdas de carga aceitáveis é, portanto, essencial.

A altura de ondulação b tem um efeito importante sobre os coeficientes de troca porque uma profundidade maior causa uma turbulência maior.

A altura e o passo das ondulações aumentam a área da superfície de troca da placa: o fator de alargamento da superfície φ é definido como:

Φ = área real da superfície corrugada / área de projeção superfície corrugada

A área real é difícil de calcular, portanto, para comparar diferentes trocadores, é feita referência à área projetada.

Deve-se ter em mente que trocadores de calor com a mesma área projetada (ou seja, placas do mesmo tamanho) podem ter diferentes áreas efetivas dependendo do valor do fator de alargamento da superfície φ.

A proporção entre o comprimento da placa L e a largura da placa W também afeta o desempenho, mas em menor grau do que outras variáveis. Em geral, uma alta proporção entre o comprimento e a largura da placa resulta em altas taxas de câmbio, mas maiores perdas de carga.