O que são trocadores de calor de placas?
Trocadores de calor de placas são um dos tipos mais comuns de trocador de calor utilizados atualmente; o outro tipo comum de trocador de calor é o trocador de calor de casco e tubo. O trocador de calor espiral também é usado para aplicações industriais, mas seu uso é menor em comparação com os outros dois tipos de trocador de calor.
Os trocadores de calor de placas ganharam ampla aplicação no mundo da engenharia porque são eficientes, robustos e relativamente fáceis de manter.
Trocador de Calor de Placas Montado
Componentes do Trocador de Calor de Placas (PHE)
Os trocadores de calor de placas consistem em relativamente poucas partes. Como os trocadores de calor de placas são usados para transferir calor, eles requerem entradas e saídas onde os meios fluentes - ou fluidos - podem entrar e sair do trocador de calor. Um fluido pode ser um líquido ou um gás. Como os fluidos são frequentemente assumidos como apenas líquidos, usaremos o termo meio fluente para evitar confusão.
Trocador de Calor de Placas (Vista Explodida)
Juntas e placas são usadas para separar os meios fluentes e evitar que se misturem; as juntas são aderidas a um lado de cada placa apenas. As placas são penduradas em uma barra de suporte e são pressionadas juntas usando parafusos de fixação. Quando as placas são comprimidas juntas, elas são referidas como um ‘conjunto de placas’. Uma barra guia garante que as placas estejam alinhadas corretamente quando o conjunto de placas é aberto e fechado.
Componentes do Trocador de Calor de Placas
Os componentes finais de interesse são as duas tampas nas extremidades opostas do conjunto de placas. Uma tampa é móvel enquanto a outra é fixa. A tampa móvel e a tampa fixa também são às vezes referidas como a placa de estrutura e placa de pressão. Note que as entradas e saídas são montadas apenas na tampa fixa.
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Como Funcionam os Trocadores de Calor de Placas
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Ao longo deste artigo, assumiremos um trocador de calor de placas hipotético com dois meios fluentes, um é frio e o outro é quente. O meio quente precisa ser resfriado pelo meio frio, e isso ocorrerá no trocador de calor de placas.
O meio quente entra no trocador de calor através da entrada do meio quente. Juntas direcionam o meio quente enquanto ele flui através do trocador de calor. Cada placa tem um padrão de juntas alternado. O meio quente flui para o espaço entre um par de placas, mas não flui para o espaço entre o próximo par de placas porque as juntas impedem isso. O processo continua de modo que cada segundo conjunto de placas é preenchido com o meio fluente quente.
Juntas de Placas do Trocador de Calor de Placas
Ao mesmo tempo, o meio frio entra no trocador de calor através da entrada do meio frio, mas desta vez, as juntas estão posicionadas para permitir que o meio frio flua para o espaço onde não há meio quente presente. O trocador de calor agora está cheio de ambos os meios fluentes quentes e frios. Cada meio flui para fora de sua saída associada e o processo é contínuo.
Observe que os dois meios fluentes estão sempre adjacentes um ao outro ao longo do trocador de calor. Os meios fluentes, portanto, têm um padrão de fluxo quente, frio, quente, frio, enquanto fluem através do trocador de calor. Ambos os meios fluentes estão completamente separados um do outro pelas juntas e placas, eles não se misturam.
Padrão Alternado Quente/Frio
Devido à proximidade dos meios fluentes, o calor é trocado entre eles. O meio quente aquece a placa e a placa passa parte desse calor para o meio fluente frio; assim, a temperatura do meio quente diminui enquanto a temperatura do meio frio aumenta.
Design do Trocador de Calor de Placas
As placas são a principal razão pela qual os trocadores de calor de placas são tão eficientes.
As placas de um trocador de calor de placas podem parecer ter um design simples, mas cada placa está cheia de características de design de engenharia interessantes. Por exemplo:
- Quando as placas são comprimidas juntas para formar um conjunto de placas, o espaço entre cada uma das placas é muito pequeno, o que garante um bom contato térmico entre os dois meios fluentes. O espaço entre as placas também é conhecido como ‘folga’.
- As placas são finas e têm uma grande área de contato, o que dá a cada placa uma alta taxa de transferência de calor.
- As placas são fabricadas a partir de um material com alta condutividade térmica, o que aumenta ainda mais a taxa de transferência de calor.
- As corrugações nas superfícies das placas impedem o fluxo laminar e promovem o fluxo turbulento, o que aumenta a taxa de transferência de calor enquanto também reduz a probabilidade de depósitos se acumularem nas superfícies das placas.
- As corrugações também servem para reforçar a estrutura da placa, o que permite o uso de uma placa mais fina em comparação com uma placa que não tem corrugações. Note que as corrugações das placas são às vezes referidas como tendo um padrão de ‘espinha de peixe’.
Padrão de Espinha de Peixe Corrugado
As placas não são a única parte de um trocador de calor de placas com características de design extensivas, as juntas também têm características de design interessantes:
- As juntas são capazes de manter uma vedação entre as placas mesmo quando a pressão e a temperatura do sistema variam.
- Buracos em cada junta - conhecidos como telltales - são usados para identificar juntas com vazamento. Esse recurso permite que os operadores troquem a placa afetada antes que o meio vazante vaze através da próxima junta e contamine o outro meio fluente.
Telltale do Trocador de Calor de Placas
- Como as juntas guiam o fluxo através do trocador de calor, é essencial que sejam instaladas na ordem correta. Por essa razão, as juntas geralmente são equipadas com marcas para que os operadores possam verificar se cada placa está instalada na ordem correta ao longo de todo o conjunto de placas. Outra maneira de garantir que a ordem do conjunto de placas esteja correta é pintar uma linha diagonal em todo o conjunto de placas quando ele estiver montado.
Conjunto de Placas com Linha Diagonal
- Embora tenhamos mostrado apenas dois designs de juntas até agora neste artigo, existem três! As juntas alternam ao longo do trocador de calor exceto para as primeiras e últimas placas dentro do conjunto de placas, que pressionam contra as tampas fixa e móvel. Placas que pressionam contra as tampas fixa e móvel são conhecidas como placas de início e placas de fim, devido à sua posição dentro do conjunto de placas. O propósito das placas de início e fim é evitar o fluxo no espaço entre a tampa fixa e a placa de início, e evitar o fluxo no espaço entre a tampa móvel e a placa de fim. Desta forma, as tampas não são usadas ativamente para trocar calor; isso faz sentido, pois as tampas são bastante espessas, não têm corrugações e são mal adequadas para trocar calor.
Juntas de Placas (junta da placa de fim mostrada à direita)
Variando a Capacidade de Resfriamento
Existem várias maneiras de variar a capacidade de resfriamento de um trocador de calor de placas:
- Regule as válvulas de saída para que o fluxo seja aumentado ou diminuído; este método é útil porque não ocorre desmontagem do trocador de calor. Não estrangule/regule as válvulas de entrada pois isso pode privar o trocador de calor e causar superaquecimento localizado.
- Aumente ou diminua o número de placas no conjunto de placas. Aumentar o número de placas no conjunto de placas dá um aumento correspondente na capacidade de resfriamento. Diminuir o número de placas no conjunto de placas dá uma diminuição correspondente na capacidade de resfriamento. Em resumo, mais placas equivalem a mais capacidade de resfriamento e menos placas equivalem a menos capacidade de resfriamento.
- Use um design de passagem única ou multipassagem. Trocadores de calor de passagem única permitem que os dois meios fluentes passem um pelo outro apenas uma vez. Trocadores de calor multipassagem permitem que os meios fluentes passem um pelo outro várias vezes. A maioria dos trocadores de calor de placas usa o design de passagem única.
Design de Passagem Única e Multipassagem
Tipos de Fluxo
O fluxo através de um trocador de calor de placas pode ser paralelo, cruzado ou contracorrente. Trocadores de calor de placas geralmente usam fluxo contracorrente, pois este é o tipo de fluxo mais eficiente para transferência de calor. Fluxo contracorrente é às vezes conhecido como fluxo contrário.
Fluxo Paralelo, Contracorrente e Cruzado
Considerações de Design para Placas
Como os trocadores de calor de placas são usados para aplicações de amplo alcance, eles devem ser projetados para suportar as condições de processo em que operam, o que pode incluir ambientes corrosivos e erosivos. É possível construir trocadores de calor de placas a partir de vários materiais, incluindo metais, ligas e plásticos. Diferentes materiais tornam o trocador de calor de placas mais adequado para diferentes aplicações. Por exemplo, se um determinado meio fluente reage agressivamente ao entrar em contato com certos metais, materiais à base de polímeros, como o Teflon, podem ser usados em vez disso.
Vantagens do Trocador de Calor de Placas
Existem inúmeras vantagens associadas aos trocadores de calor de placas:
- Trocadores de calor de placas pesam menos, requerem menos espaço e são mais eficientes em comparação com outros designs de trocadores de calor do mesmo tamanho.
- Substituir e limpar as placas é uma tarefa simples porque o conjunto de placas pode ser aberto facilmente.
- E, ao contrário dos trocadores de calor de casco e tubo, os trocadores de calor de placas não requerem espaço adicional para desmontagem.
Desvantagens do Trocador de Calor de Placas
Mas também existem algumas desvantagens associadas aos trocadores de calor de placas:
- Trocadores de calor de placas tendem a ser mais caros do que outros designs de trocadores de calor.
- Se houver uma junta com vazamento causando a mistura de um meio fluente com o outro, a placa com vazamento é muitas vezes difícil de localizar.
- A substituição de juntas de placas no local pode ser difícil ou impossível. Algumas juntas de placas devem ser devolvidas ao fabricante para substituição, o que custa tempo e dinheiro.
- Quando as placas são comprimidas juntas para formar um conjunto de placas, a folga entre cada uma das placas é pequena, isso aumenta a probabilidade de incrustação com uma correspondente redução na transferência de calor.
- Ao remontar o conjunto de placas, apertar demais os parafusos de fixação pode levar ao esmagamento das placas, o que danifica as corrugações das placas e espreme as juntas. Se as juntas forem espremidas, a placa não vedará corretamente.
- Trocadores de calor de placas não são adequados para aplicações de alta pressão porque as juntas seriam expulsas pela pressão do sistema; essa situação é referida como ‘explosão de junta’. No entanto, é possível contornar esse problema usando um design sem juntas; esses designs geralmente usam placas brasadas ou soldadas. Trocadores de calor de placas brasadas e soldadas são mais adequados para aplicações de alta temperatura e alta pressão, mas também para aplicações onde vazamentos seriam perigosos/catastróficos, por exemplo, meios fluentes tóxicos ou venenosos.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger
https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work