Conhecendo os Trocadores
de Calor a Placas
Jorge A. W. Gut e José M. Pinto
Dep. de Eng. Química - Universidade de São Paulo
Av. Prof. Luciano Gualberto, trav. 3, 380
São Paulo / SP - 05508.900
jompinto@usp.br
1. Introdução
O termo “trocador de calor a placas” e a sigla PHE (plate heat exchanger) são normalmente usados para representar o tipo mais comum de trocador a placas: o “trocador de calor a placas com gaxetas” (gasketed plate heat exchanger ou plate and frame heat exchanger). 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 e trocam calor através de finas chapas metálicas. Neste artigo serão apresentados os trocadores a placas com gaxetas, destacando suas principais características de construção e de operação. Alguns exemplos de PHEs são 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 década de 30 para atender às exigências de higiene e limpeza das industrias alimentícias e farmacêuticas, pois eles podem ser facilmente desmontados, limpos e inspecionados. Entretanto, contínuos aperfeiçoamentos tecnológicos tornaram o PHE um forte concorrente aos tradicionais trocadores de casco-e-tubos ou duplo-tubo em várias outras aplicações industriais. Atualmente os PHEs são extensamente empregados em diversos processos de troca térmica entre líquidos com pressões e temperaturas moderadas (até 1,5 MPa e 150 oC) quando se deseja alta eficiência térmica.
2. Construção e Materiais
Os PHEs são formados basicamente por um pacote de finas placas metálicas prensadas em um pedestal, como mostra a Figura 2. O pedestal possui uma placa fixa, uma placa de aperto móvel, barramentos inferior e superior e parafusos de aperto. As placas fixa e de aperto possuem bocais para conexão das tubulações de alimentação e de coleta dos fluidos.
Figura 2: Trocador de calor a placas aberto e suas partes principais
As placas do PHE possuem orifícios nos cantos para a passagem dos fluidos e são seladas nas extremidades por gaxetas (também chamadas de juntas) de material elastomérico. Quando as placas são alinhadas e prensadas no pedestal, forma-se entre elas uma série de canais paralelos de escoamento. A parte central da placa é corrugada (ondulada) para aumentar a turbulência do escoamento dentro destes canais e também para aumentar a resistência mecânica do pacote de placas, que pode ter de 3 a 700 placas dependendo da capacidade do pedestal.
Existe uma grande variedade de tamanhos e desenhos de placas, como pode ser visto na Figura 3. A área de troca térmica por placa varia de 0,03 a 3,6 m2 e a espessura da chapa é de cerca de 1 mm. Os tipos mais comuns de corrugações são a chevron (ou “espinha de peixe”) e a washboard (ou “tábua de lavar”), indicados na Figura 3. O ângulo de inclinação das ranhuras chevron é um parâmetro muito importante para o dimensionamento do PHE pois ele tem forte influência sobre os coeficientes de troca térmica e sobre a perda de carga dos fluidos.
Figura 3: Variedade de tamanhos e desenhos de placas para os PHEs (SEC Plate and Frame)
O pedestal do PHE é normalmente construído em aço carbono com pintura anticorrosiva. Já as placas são feitas de algum metal dúctil que possa ser laminado e prensado e que também seja resistente à corrosão. Para a maior parte das aplicações usa-se o aço inoxidável AISI-316, mas outros materiais mais nobres podem ser utilizados como o titânio ou ligas de cobre e níquel, dependendo das condições de processo. As gaxetas são fabricadas com elastômeros, em especial as borrachas butílicas e nitrílicas. Outros materiais, como o amianto, podem ser usados quando se deseja trabalhar com temperaturas superiores a 150 oC.
3. Configuração
O espaço compreendido entre duas placas é um canal de escoamento, que pode ter uma espessura de 1,5 a 5 mm. O fluido entra e sai dos canais através dos orifícios nas placas e o seu caminho por dentro do PHE é definido pelo desenho das gaxetas, pelos orifícios abertos e fechados das placas e pela localização das conexões de alimentação. A configuração do PHE define as trajetórias dos fluidos quente e frio dentro do trocador e existe um grande número de possibilidades de configuração.
A distribuição do fluxo pelos canais do PHE é feita na forma de “passes”, compostos por um certo número de “passagens”. Cada vez que o fluxo muda de sentido, muda-se de passe. Na Figura 4 é mostrado um exemplo de configuração para um PHE com nove placas, onde é possível observar os orifícios abertos e fechados das placas e também o desenho das gaxetas que definem a direção e o sentido do escoamento em cada canal. No caso deste exemplo têm-se oito canais de escoamento, o fluido quente faz dois passes de duas passagens e o fluido frio faz quatro passes de uma passagem.
Figura 4: Exemplo de configuração para um PHE com nove placas
Os números de passes e de passagens definem o “arranjo de passes” do PHE. Para o exemplo na Figura 4, o arranjo é 2/4 (dois passes por quatro passes) ou 2´2/4´1 (dois passes de duas passagens por quatro passes de uma passagem). Os tipos de arranjos mais comuns são aqueles em paralelo onde os dois fluidos fazem apenas um passe (arranjo 1´n/1´m) e aqueles em série onde os fluxos não sofrem divisões, ou seja, cada passe tem apenas uma passagem (arranjo n´1/m´1). Quando um outro tipo de arranjo é necessário, procura-se configurá-lo para que o fluxo entre os canais vizinhos no PHE seja predominantemente contracorrente, o que maximiza a troca térmica. Na Figura 5 são mostrados exemplos de arranjos em paralelo e em série para PHEs de nove placas. São também apresentados exemplos de arranjos multipasse simétrico e assimétrico. No caso simétrico, o número de passes é o mesmo para os dois fluidos.
Figura 5: Exemplos de arranjos de passes para um PHE com nove placas
O arranjo paralelo tipo U na Figura 5 é muito utilizado pois todas as conexões de tubulação são feitas na placa fixa, deixando a placa de aperto livre para a desmontagem do trocador. Outra vantagem deste arranjo é que todos os canais estão em escoamento contracorrente com os canais vizinhos. Já em um arranjo multipasse assimétrico predomina o escoamento paralelo entre canais vizinhos, como pode-se ver no exemplo da Figura 5. Arranjos assimétricos são usados somente nos casos em que exista uma grande diferença entre as capacidades térmicas dos fluidos quente e frio.
4. Vantagens e Desvantagens
Mesmo sendo um trocador versátil, compacto e de alta eficiência térmica, o PHE possui limitações de operação impostas pelo uso intensivo de gaxetas. A seguir são apresentadas as principais vantagens e desvantagens deste tipo de trocador de calor.
4.1 Principais Vantagens dos PHEs
- Limpeza: como o PHE é desmontável, é possível limpar e inspecionar todas as partes em contato com os fluidos. No processamento de produtos alimentícios ou farmacêuticos esta característica é fundamental.
- Flexibilidade: os PHEs são muito flexíveis; adicionando ou removendo placas eles podem ser redimensionados para novas condições de processo. A área de troca térmica de um PHE pode variar entre 0,1 e 2500 m2 dependendo do tipo e do número de placas.
- Economia: como os PHEs são compactos, podem ser usados materiais mais nobres na fabricação das placas, o que seria proibitivo em trocadores mais robustos como o casco-e-tubos. O espaço para instalação é também bastante reduzido para os PHEs. Um mesmo pedestal pode até acomodar mais de uma seção de troca térmica utilizando placas especiais chamadas “grades conectoras”, essenciais nos processos de pasteurização onde o fluido de processo é aquecido e depois resfriado no mesmo trocador.
- Rendimento Térmico: os PHEs são trocadores de alta eficiência térmica, sendo possível obter diferenças de temperatura de até 1 oC entre os fluidos.
- Turbulência: as placas corrugadas aumentam a turbulência do escoamento dentro dos canais. Desta forma, é possível obter o regime turbulento de escoamento com valores de número de Reynolds da ordem de 20 a 400 dependendo do tipo de placa (vale lembrar que o valor mínimo de Reynolds para escoamento turbulento em tubos lisos é 2.300). A turbulência também reduz a formação de incrustações pois mantém os sólidos em suspensão. Os fatores de incrustação (fouling factors) para os PHEs são aproximadamente dez vezes menores daqueles adotados para os trocadores casco-e-tubos.
- Vazamentos nas gaxetas: as gaxetas possuem respiros que impedem que os fluidos se misturem no caso de alguma falha, o que também facilita a localização de vazamentos.
4.2 Principais Desvantagens dos PHEs
- Pressão: pressões superiores a 1,5 MPa não são toleradas, pois ocasionam vazamentos nas gaxetas. Existe a possibilidade de soldar as placas umas às outras para operar sob altas pressões, como nos trocadores a placas brazados, mas o PHE perde a sua flexibilidade e não pode mais ser limpo internamente.
- Temperatura: para que o PHE possa trabalhar acima de 150 oC é necessário o uso de gaxetas especiais, pois as de material elastomérico não suportam tal condição.
- Perda de Carga: devido às placas corrugadas e ao pequeno espaço de escoamento entre elas, a perda de carga por atrito é alta, o que eleva os custos de bombeamento. Para diminuir a perda de carga pode-se aumentar o número de passagens por passe para que o fluxo seja dividido em um número maior de canais. Desta forma a velocidade de escoamento dentro dos canais será menor, reduzindo o fator de atrito. Todavia, isto também reduzirá o coeficiente convectivo de troca térmica e a eficiência do trocador.
- Mudança de Fase: em casos especiais os PHEs podem ser usados em operações de condensação ou de evaporação, mas eles não são recomendados para gases e vapores devido ao espaço reduzido dentro dos canais e às limitações de pressão.
- Fluidos: o processamento de fluidos de alta viscosidade ou contendo materiais fibrosos não é recomendado por causa da alta perda de carga e de problemas de distribuições de fluxo dentro do PHE. Deve-se verificar ainda a compatibilidade entre os fluidos e o material de fabricação das gaxetas.
- Vazamentos nas placas: a fricção entre placas pode desgastar o metal e formar pequenos furos de difícil localização. Como precaução, é aconselhável pressurizar o fluido de processo para que, no caso de vazamento na placa, o fluido de utilidade não o contamine.
- Dimensionamento: os métodos rigorosos de dimensionamento dos PHEs ainda são propriedade dos fabricantes e são específicos aos modelos comercializados. Em contrapartida, métodos genéricos de dimensionamento para trocadores casco-e-tubos ou duplo-tubo encontram-se disponíveis na literatura aberta. Recentemente os presentes autores apresentaram uma metodologia para a seleção da configuração ótima no projeto de PHEs.
5. Aplicações
De forma geral, os PHEs são utilizados em operações de resfriamento, aquecimento ou de recuperação de calor entre líquidos com temperaturas inferiores a 150 oC e pressões não maiores que 1,5 MPa. Eles são extensivamente usados no processamento de produtos alimentícios como laticínios, sucos e cervejas e também na indústria farmacêutica para esterilização de meios de cultura. A facilidade de limpeza interna e de controle da temperatura dos PHEs são fundamentais para estes processos industriais.
Uma das aplicações mais importantes dos PHEs é na pasteurização do leite. Neste processo o PHE é dividido em três seções de troca térmica, uma para aquecimento do leite cru até a temperatura de pasteurização, outra para resfriamento do leite pasteurizado até a temperatura de embalagem e uma seção para recuperação de calor. Nesta última seção, designada “regeneração”, o leite cru é pré-aquecido usando o leite quente pasteurizado e a recuperação de calor pode ser superior a 90 %. Na Figura 6, o processo de pasteurização é esquematizado e pode-se observar as três seções de troca térmica ocupando o mesmo pedestal do PHE. As grades conectoras são usadas para separar as seções.
Figura 6: Esquema do processo de pasteurização indicando as três seções do PHE
Outra importante aplicação dos PHEs é no sistema central de resfriamento de plantas petroquímicas, metalúrgicas, de papel e celulose ou de geração de energia. Usando água do mar, de rios ou de uma torre de resfriamento, o PHE resfria um circuito fechado de água tratada que atende o processo. Desta forma, os problemas de corrosão e de incrustação nos equipamentos do processo são transferidos para o PHE, que pode ser fabricado em titânio para operação com água do mar.
6. Onde Saber Mais
Livros sobre troca térmica normalmente trazem um capítulo dedicado aos trocadores a placas contendo informações importantes sobre suas características, aplicações, detalhes de construção e de operação e também equações básicas para cálculo da troca térmica e da perda de carga. Algumas das publicações mais significativas estão listadas na bibliografia deste artigo.
Outras fontes interessantes de informação são algumas páginas de fabricantes e comerciantes de trocadores a placas disponíveis 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- 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 “Configurações Ótimas para Trocadores de Calor a Placas” (00/13635-4).
Bibliografia
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