Os permutadores de calor industriais explicados, aprender os diferentes tipos de permutadores de calor utilizados e como funcionam com exemplos.

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Quase todas as instalações industriais dependem da transferência de energia térmica para gerar eletricidade, controlar sistemas e ambientes de trabalho e até mesmo fabricar produtos. Então, como é que os engenheiros controlam isto? É o que vamos abordar neste artigo, que é gentilmente patrocinado pela Super Radiator Coils, um dos líderes na produção de permutadores de calor para o comércio, a indústria e até mesmo a indústria nuclearTodos os projectos de engenharia, desempenho, testes e fabrico são realizados internamente numa das suas três divisões em Chaska, Minnesota, Richmond, Virgínia, e Phoenix, Arizona. Quando tem de ser perfeito, tem de ser super.

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Um permutador de calor é simplesmente um dispositivo utilizado para transferir energia térmica entre dois fluidos sem que estes se misturem. Os fluidos podem ser líquidos ou gasosos ou mesmo uma mistura de ambos.

Tomemos como exemplo este óleo. Precisamos de aumentar a sua temperatura, mas não queremos aplicar uma chama diretamente na unidade de armazenamento. Em vez disso, vamos ferver um pouco de água e fazer um ciclo através de um simples permutador de calor. Normalmente, o óleo também é submetido a um ciclo através do permutador de calor, onde absorverá com segurança o calor da água. A energia térmica está a ser transferida da água quente através do metalparede e para dentro do óleo.

A água e o óleo nunca se encontram ou se misturam. Estão sempre completamente separados. Tem de haver uma diferença de temperatura para que o calor seja transferido e o calor flui sempre do quente para o frio. Podemos também arrefecer o óleo bombeando água fria através do permutador de calor. A água fria absorverá agora a energia térmica do óleo.

No entanto, os permutadores de calor industriais são um pouco diferentes porque trabalham frequentemente em ambientes extremos, tais como centrais nucleares, refinarias de petróleo, fábricas de processamento de alimentos e fábricas, que implicam trabalhar a alta pressão e a altas temperaturas.Por conseguinte, estas unidades são construídas de forma mais robusta e com materiais mais resistentes. Os ambientes de trabalho são frequentemente corrosivos, pelo que são tratados quimicamente para lidar com isso. Estes permutadores de calor ou lidam com fluidos como água, vapor, ar, refrigerantes, óleo, produtos químicos, gases, produtos alimentares, etc.

Existem cinco tipos principais de permutadores de calor industriais, embora existam muitas variações de cada design. Vejamos primeiro um permutador de calor de tubo fino, que é provavelmente o design mais comum.

Permutador de calor de tubo fino

Um permutador de calor de tubos finos típico tem o seguinte aspeto: existe uma entrada e uma saída, ambas localizadas na mesma extremidade. Estas ligações são normalmente flangeadas, mas podem ser roscadas ou soldadas, dependendo da aplicação e das pressões dos fluidos de trabalho. Entre a entrada e a saída existe um tubo que contém e dirige um dos fluidos de trabalhoOs tubos serão cobertos com muitas chapas finas de metal, conhecidas como "thins", que aumentam a área de superfície da parede do tubo, permitindo que mais calor seja transferido para o outro fluido.

Por exemplo, o ar ambiente passará pelo exterior deste tubo entre as latas. Os dois fluidos nunca se misturam. O calor passa da água quente através da parede do tubo e para o ar. O calor da água sai através da parede do tubo e para as alhetas. As alhetas aumentam a área de superfície e permitem uma maior interação com a corrente de ar, o que melhora a transferência de calor.

Nalguns modelos, o fluido passa simplesmente por todo o comprimento do tubo. Noutros modelos, o fluido passa por vários tubos ao mesmo tempo. Estes serão ligados a um coletor da entrada e da saída para facilitar a distribuição através dos tubos. Por exemplo, são utilizados numa central eléctrica de turbina a gás para arrefecer o ar de admissão, que será aspirado para oturbina e queimado.

Isto ajuda a turbina a funcionar com um desempenho ótimo em condições de calor e humidade. Um refrigerador bombeia água fria para o permutador de calor, que depois flui através dos tubos. O ar quente do ambiente passa sobre o exterior destes tubos. A energia térmica transfere-se do ar quente para a água fria. O ar sai mais fresco e entra na turbina.

A água sai mais quente e volta para o refrigerador, onde o calor indesejado será rejeitado de volta para a atmosfera.

Trocadores de calor de casco e tubo

Os permutadores de calor de casco e tubo têm um aspeto semelhante ao seguinte: com este desenho, encontramos normalmente a entrada e a saída de um fluido na extremidade do permutador de calor, conhecida como header. Depois temos outra entrada e saída para o fluido dois no corpo principal, conhecido como shell. No interior da unidade, temos os tubos. Estes dobram-se e dão a volta para começar e terminar na placa de tubos, que se situaentre a casca e o cabeçalho.

Os tubos normalmente também passam por alguns deflectores, que são folhas de metal. Veremos como estes funcionam dentro de momentos. O coletor, bem como os tubos, podem ser removidos para limpeza, reparações e manutenção. Dentro do coletor existe uma folha de metal conhecida como divisor ou partição. Esta separa as extremidades dos tubos, permitindo que o fluido entre e saia dos tubos do permutador de calor.

O fluido um fluirá através do coletor para dentro e à volta dos tubos, voltando depois para o coletor. O fluido dois entrará na concha e rodeará o exterior dos tubos. Os deflectores bloquearão parcialmente o fluxo, o que forçará o fluido a rodar várias vezes. Isto cria um fluxo turbulento e assegura que o fluido dois se misture com ele próprio, o que garante a máxima transferência de calor. Por exemplo, podemos encontrar istonuma fábrica de produtos farmacêuticos, com uma caldeira que fornece vapor ao invólucro, que envolve os tubos. Um produto químico é então bombeado através dos tubos e este absorve o calor do vapor através da parede do tubo.

O produto sairá do permutador de calor muito mais quente. Entretanto, o vapor começará a condensar-se num líquido e voltará para a caldeira para captar mais calor e repetir o ciclo. Além disso, são utilizados em aplicações de refrigeração, como este chiller industrial. Temos a água a fluir através dos tubos e o refrigerante quente no invólucro. A água absorverá o calor doo refrigerante para o transportar para a torre de arrefecimento, onde será ejectado para a atmosfera.

A água regressa mais fria para captar mais energia térmica indesejada do refrigerador. Já abordámos o funcionamento dos refrigeradores em grande pormenor anteriormente, consulte esses artigos AQUI.

Tubo duplo

Os permutadores de calor do tipo tubo duplo ou tubo em tubo têm o seguinte aspeto.

Este é semelhante ao permutador de calor de casco e tubo porque, essencialmente, temos apenas um tubo que vai e volta várias vezes entre uma entrada e uma saída. Este é rodeado por um casco que tem outra entrada e uma saída. Uma estrutura metálica manterá a unidade no lugar. Normalmente, todos estes serão feitos de aço inoxidável. Um fluido fluirá através do tubo e outro fluirá através dea concha.

Os dois fluidos são separados pela parede do tubo e transferem energia térmica através da parede do tubo. As diferentes configurações resultam em diferentes perfis de temperatura e transferência de calor. Neste modelo, a curva em cada extremidade não é utilizada para a transferência de calor e o calor pode ser desperdiçado aqui. No entanto, o fabrico deste permutador de calor é mais barato e obviamente mais fácil. Outros modelos, como este tipo hairpinO permutador de calor, que se encontra frequentemente nas refinarias de petróleo, encapsulará a curva para utilizar plenamente a área de superfície para a transferência de calor.

Esta versão utiliza normalmente vários tubos para maximizar a área de superfície e, assim, aumentar a transferência de calor. Embora isto também aumente a resistência, trata-se de uma conceção de permutador de calor bastante simples e é muito comum, particularmente no processamento de alimentos e na produção farmacêutica. Por exemplo, podemos ter um produto lácteo a fluir através do tubo e depois temos água quente ou talvezmesmo vapor que flui na direção oposta através do invólucro, que aquecerá o produto até uma determinada temperatura antes de ser misturado com outros ingredientes e depois engarrafado.

Permutador de calor industrial

Os permutadores de calor de placas industriais têm um aspeto semelhante ao seguinte: consistem numa cobertura metálica espessa na parte frontal e na parte posterior da unidade, normalmente fabricada em aço macio. Existem duas entradas e duas saídas, que são normalmente ligações flangeadas. Na maioria dos modelos, encontramos as quatro portas localizadas na placa frontal, uma vez que isto permite que o permutador de calor seja facilmente alargado ou reduzido paraA maioria dos permutadores de calor não tem esta capacidade.

Entre as tampas das extremidades, encontramos uma série de placas, que são folhas finas de metal com um padrão estampado. Normalmente, estas são feitas de aço inoxidável. Estes padrões ajudam a direcionar os fluidos e a criar um fluxo muito turbulento, o que aumenta a transferência de calor. Entre cada uma destas placas existe um vedante conhecido como junta. Normalmente, esta é feita de borracha. Estas juntas separam ascriando um canal fino entre elas, através do qual o fluido pode passar.

Em cada placa, a junta bloqueará duas das quatro portas, o que significa que apenas um fluido pode entrar e sair. A placa seguinte permitirá a passagem do segundo fluido. Esta alternância ao longo do permutador de calor mantém os dois fluidos completamente separados. Apenas a energia térmica fluirá através das placas. Toda a unidade é mantida em conjunto com alguns parafusos compridos, que comprimem as juntas para formar umavedação estanque.

Estes permutadores de calor são muito comuns para aquecimento e arrefecimento. Por exemplo, uma central eléctrica de incineração queima resíduos domésticos para gerar calor, o que cria vapor, que acciona uma turbina e gera eletricidade. A energia térmica residual passa então através de um permutador de calor de placas para aquecer uma rede de aquecimento urbano e outros edifícios ligam-se a esta rede de calor também através de um permutador de calor de placas.para satisfazer as suas próprias necessidades de aquecimento, em vez de utilizarem a sua própria caldeira individual.

Permutador de calor em espiral

Os permutadores de calor em espiral têm mais ou menos o seguinte aspeto: temos uma entrada flangeada na face frontal com a saída localizada na parte superior. Depois temos uma entrada de outro fluido também na parte superior, com a saída localizada na face posterior. Por detrás das placas terminais, encontramos duas folhas de metal no interior, que se unem em espiral à volta do interior para formar um canal através do qual os fluidos irão agora fluir. O canalsepara completamente os dois fluidos.

Vemos que o primeiro fluido entra no permutador de calor e enche a câmara, fluindo depois à volta do canal para a saída. Entretanto, do outro lado, o segundo fluido entra pelo topo, fluindo à volta do canal e para dentro da câmara, onde sai. Os dois fluidos entram e saem a temperaturas diferentes. Este tipo de permutador de calor não é tão utilizado, no entanto, porque o design temEnquanto que os permutadores de placas e de tubos dividem o fluxo em múltiplos caminhos.