*Permutador* *de* *calor* *de* *placas* Guilherme Pereira, António Murta
Integração e Intensificação de Processos 27 de fevereiro de 2024
Tarefa 1 – Permutadores de calor de placas
Introdução:
Os permutadores são aparelhos industriais utilizados para transferir calor entre dois fluidos diferentesa temperaturasdistintas. A maioriadestesdispositivosé montado em processos de fabrico, de maneira a aquecer ou arrefecer os fluidos que circulam nas suas correntes.
Existem diversostipos de permutadores, sendo que os mais consensuais são os de double pipe, carcaça e tubos e os de placas. A diferença entre eles prevalece na sua forma e funcionamento, enquanto que os permutadores de calor double pipe são compostos por dois tubos concêntricosem que um dos fluidos se faz escoar pelo tubo interno e o outro se escoa pelo tubo que o rodeia, os de carcaça e tubos são compostos por uma carcaça que envolve inúmeros tubos, onde um dos fluidos se faz escoar pelo interior dos tubos e o outro entre os tubos e a carcaça.
Os permutadores de placas (PHE, plate heat exchanger) são equipamentos que, como o nome indica, são constituídospor placas enrugadas onde os diferentesfluidoscirculam e é nestas onde ocorre a transferênciade calor. A transferênciade calor é possível porque o material de que as placas são feitas tem uma elevada condutividadetérmica. Habitualmente, são constituídos por placas de aço inoxidável, titânio ou outro tipo de metais que sejam resistentes à corrosão. [1]
Figura 1- Esquema representativo do funcionamento de permutadores de calor de placas. [2]
De acordo com o que está retratado na Figura 1, é possível perceber que as placas onde circulam os dois fluidos, quente e frio, estão alternadas, potenciando a transferência de calor.
Há vários tipos de permutadores de calor de placas, entre eles: [3] o PHE com junta;
o PHE com pratos semi-soldados;
o PHE com pratos totalmente soldados o PHE com pratos de grafite.
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*Permutador* *de* *calor* *de* *placas* Guilherme Pereira, António Murta
Integração e Intensificação de Processos 27 de fevereiro de 2024
Vantagens e Desvantagens:
Os PHE devido à sua elevada eficiência térmica apresentam várias vantagens relativamenteaosoutros tipos de permutadoresde calor, no entanto tambémapresentam algumas desvantagens, nomeadamente no que toca ao uso intensivo nas juntas de vedação.
Vantagens:
• A sua maior vantagemé a forma como podem ser montados, desmontadose armazenados facilmente, uma vez que são placas e tubos que se compactam. Isto permite uma limpeza e manutenção rápida e eficaz.
• Para coeficientes de transferência de calor elevados, este tipo de permutadores tem um tamanho reduzido quando comparado com outros. Para além disso, é menos pesado e volumoso que um permutador de carcaça e tubos, o que permite um custo de transporte mais acessível e barato.
• O coeficiente de transferência entre as placas é tão elevado que permite obter diferenças de temperaturamínimas(até 1ºC) entre os fluidos em estudo. Para ajudar a este facto, os fluidos são colocados em contracorrente o que resulta numa recuperação de mais de 90% do calor disponível. [3]
• Não existe a possibilidade de contaminação de fluidos, uma vez que cada fluido está confinado a canais entre placas seladas.
• Outra grande mais valia é o facto de se poder combinar facilmente diversos tipos de placas e diferentesfluidos, de forma a otimizar as condições de operação do processo e tamanho da planta fabril.
Desvantagens:
• Este tipo de permutador de calor não pode operar a pressões superiores a 1,5MPa, visto que provoca fugas nos vedantes. [4]
• Para temperaturas acima dos 150ºC no fluido não se pode utilizar os vedantes tradicionais, pois estes corroem e perdem a sua função elástica de vedante.
• É possível que a demasiada fricção entre placas crie fugas e se perca fluido, apesar de não acontecer por norma.
• A grande desvantagem dos permutadores de calor de placas implica o dimensionamento destes equipamentos, uma vez que para os restantes existem na literatura modelos genéricos de fácil compreensão, para estes equipamentos cada fabricante tem os seus modelos específicos, dificultando assim, o projeto da máquina e, por consequência do processo.
Aplicações:
• Indústria alimentar – Pasteurização, esterilização e aquecimento geral de alimentos • Marinha – Arrefecimento de motores e/ou sistemas hidráulicos
• Sistemas de Energia Renovável – Aquecimento geotérmico e sistemas térmicos solares • Indústria farmacêutica
• Sistemas AVAC – aquecimento e ar condicionado
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*Permutador* *de* *calor* *de* *placas* Guilherme Pereira, António Murta
Integração e Intensificação de Processos 27 de fevereiro de 2024
Conceitos térmicos:
A par dos outros tipos de permutadores de calor a transferência de calor dá-se da mesma maneira, ou seja, por convecção onde a energia é transferida do fluido mais quente para o mais frio.
Para estimar a energia transferida é utilizado o balanço energético global ao permutador, dado por:
𝑄 = 𝑈𝐴(∆𝑇)𝑚𝑙 (1)
onde U é o coeficiente global de transferência de calor, Aé a área de transferência de calor e (∆𝑇)𝑚𝑙 a média logarítmica da diferença de temperaturas.
Outra equação importante é a que nos permite calcular a quantidade de calor transferida entre os dois fluidos, que é dada por:
𝑄 = 𝑚𝑐𝑝∆𝑇 (2)
onde 𝑚 é o caudal mássico, 𝑐𝑝 o calor específico e ∆𝑇 a variação da temperatura do fluido.
Por fim para determinaro coeficienteglobalde transferênciade calor é utilizada equação dada por:
1 1 𝑟 ln(𝑟𝑖) 𝑟
𝑈 ℎ0 𝑘 𝑟×ℎ𝑖
(3)
onde ℎ0 e ℎ𝑖 são os coeficientes de transferência de calor por convecção dos dois fluidos, 𝑟 e 𝑟 são os raios que definem a espessura da placa e 𝑘 é a condutividade térmica. [5]
Referências Bibliográficas:
[1] – Meirinho Guerreiro, Paulo., Avaliação do desempenho de permutadores de calor de placas nos laboratóriosda ARSOPI-THERMAL. Dissertação de Mestrado,Universidadedo Porto, 2017
[2] – Vapor para La Industria., Permutadores de calor de placas: Quais são os seus tipos e funcionalidades? [online]
Disponível em:https://vaporparalaindustria.com/pt/intercambiadores-de-calor-de-placas-cuales-son-sus-tipos-y-funcionalidades/ (consultado em 27/02/2024)
[3] – Wang, L., B. Sundén, and R.M Manglik, Plate Heat Exchangers: Design, Applications and performance. WIT Press, 2007.
[4] – Hesselgreaves, J.E., Compact Heat Exchangers – Selection, Design and Operation. Pergamon, 2001.
[5] – Apontamentos de Fenómenos de Transferência II, docente Maria Graça Carvalho, 2020/2021.
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