Praticamente todos os segmentos industriais possuem trocadores de calor. Quando não fazem parte de processos críticos, estão presentes no interior de máquinas para fins de resfriamento.
De forma geral, sistemas de refrigeração, processos químicos, geração de energia, indústria alimentícia e farmacêutica requerem que haja transferência de calor entre fluidos de forma eficiente, a fim de garantir que haja controle térmico e segurança de processo.
No entanto, trocadores entregam o empenho esperado apenas quando são dimensionados corretamente. É aí que o problema mora. Muitos não sabem que selecionar o modelo compatível com a aplicação não é suficiente.
E para que isso ocorra de forma correta, deve-se considerar inclusive características de fluido e condições reais de operação.
Do contrário, você vai se deparar com maior consumo de energia, aumento dos custos operacionais, dificuldade para atingir a temperatura desejada, necessidade de manutenções frequentes e até redução da vida útil dos equipamentos envolvidos.
Por isso, este texto vem como auxílio para um dimensionamento correto de trocadores, a fim de evitar que erros de projeto comprometam a eficiência térmica do sistema.
Os principais parâmetros considerados no dimensionamento
Carga térmica
A carga térmica é a variável que diz quanto calor vai ser transferido entre os fluidos, e depende principalmente da vazão do fluido, do calor específico e da variação de temperatura desejada durante o processo.
Neste cenário, quanto maior for a demanda térmica, maior a tendência de ser grande a capacidade necessária do trocador de calor.
Este valor, portanto, é o ponto de partida para os posteriores cálculos de dimensionamento.
Temperaturas de entrada e saída
Conhecer as temperaturas de entrada e saída dos fluidos é algo essencial para seguir adiante no dimensionamento dos trocadores, já que determinam a força motriz da transferência de calor.
Assim, se por acaso houver uma diferença expressiva entre as temperaturas de ambos os fluidos, a troca térmica será mais eficiente.
“E se a diferença é menor?”
Neste caso, quanto menor a diferença entre as temperaturas dos fluidos, maior a necessidade de aumentar a área de troca térmica, a fim de manter o desempenho.
É por este motivo que projetos utilizam o LMTD, conhecida como a Diferença Média Logarítmica de Temperatura — método que representa de forma mais precisa a variação da temperatura ao longo de todo o equipamento.
Vazão dos fluidos
A vazão é um parâmetro de importância expressiva para o dimensionamento dos trocadores de calor, já que impacta diretamente tanto a eficiência da troca térmica quanto a perda de carga do sistema.
Para uma análise mais direta, vazões muito baixas reduzem a turbulência dos fluidos, diminuindo a transferência de calor.
Em contrapartida, vazões elevadas aumentam a perda de pressão. Neste cenário, exige-se maior potência das bombas, e aí você sabe: maior consumo energético.
Aqui, o desafio é encontrar o ponto de equilíbrio entre desempenho térmico e eficiência hidráulica.
Coeficiente global de transferência de calor
Outro parâmetro muito importante é o coeficiente global de transferência de calor (U), já que ele representa o quão fácil o calor consegue atravessar todas as barreiras existentes entre os dois fluidos.
E quais são essas barreiras?
- Resistência térmica dos próprios fluidos;
- Material das paredes do trocador;
- Espessura das placas ou tubos;
- Depósitos de sujeira ou incrustações.
Neste cenário, quanto maior for o valor de U, mais eficiente será a transferência de calor, e com isso, a área necessária para realizar o processo pode ser reduzida.
Área de troca térmica
Como é de fácil conclusão, quanto maior a área disponível para transferência de calor (área de contato entre os fluidos), maior será a capacidade de troca térmica do equipamento.
E por mais que pareça que aumentar indefinidamente essa área representa uma vantagem, essa afirmação está errada.
Ao fazer isso, você eleva o custo do equipamento, e um trocador superdimensionado pode aumentar o volume interno do sistema, dificultar o controle operacional e elevar os custos de manutenção.
Neste caso, é objetivo do dimensionamento encontrar uma área suficiente para atender à carga térmica com segurança, mas sem desperdícios.
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A importância do tipo de escoamento
A estrutura dos fluidos é um fator tão importante quanto os demais citados, mas é um aspecto frequentemente negligenciado no dimensionamento de trocadores.
Afinal, existem diferentes configurações, mas duas delas são as mais comuns:
- Escoamento paralelo;
- Escoamento em contracorrente.
No escoamento paralelo, ambos os fluidos percorrem o equipamento na mesma direção.
Já no escoamento em contracorrente, eles circulam em sentidos opostos.
Qual o mais comum em aplicações industriais?
Bem, o de contracorrente apresenta melhor desempenho térmico, já que mantém uma diferença de temperatura mais uniforme ao longo de todo o equipamento, pois o aproveitamento da área disponível.
Os erros mais comuns de dimensionamento
Atualmente, contamos com ferramentas computacionais avançadas para auxiliar no dimensionamento de trocadores de calor, mas alguns erros continuam sendo bastante frequentes.
Ignorar as incrustações
É natural que depósitos de minerais, resíduos ou produtos da corrosão nas superfícies internas do equipamento atrapalhem a definição de variáveis.
Assim, esses parâmetros devem ser considerados para um fato: a camada isolante será maior do que se espera e isso reduz significativamente a eficiência da troca térmica.
Por este motivo, considere o fator de incrustação (fouling factor) para garantir melhor desempenho ao longo da vida útil do equipamento.
Escolher um equipamento subdimensionado
E se subdimensionado, qual o impacto?
Neste caso, a área de troca é insuficiente, forçando o sistema a trabalhar de forma contínua, próximo do seu limite.
Neste contexto, torna-se mais difícil atingir as temperaturas desejadas, e então o consumo de energia aumenta junto do desgaste dos equipamentos auxiliares.
Superdimensionar o trocador
- Superdimensionar o equipamento parece o mais seguro a se fazer, mas neste caso também encontra problemas, como:
- Investimento inicial mais elevado;
- Baixas velocidades dos fluidos que favorecem o acúmulo de incrustações e a redução da eficiência operacional.
Desconsiderar futuras mudanças no processo
Plantas industriais passam por ampliações de capacidade ao longo dos anos e isso deve ser considerado desde o projeto inicial, pois o trocador pode se tornar insuficiente para atender às novas condições de operação futuras.
Ignorar a perda de carga
A redução de pressão durante a passagem de fluido é consequência em todo trocador de calor.
Essa perda de carga deve ser considerada adequadamente, para que bombas e compressores não precisem trabalhar mais para manter a vazão desejada.
Do contrário, será maior o consumo energético e os custos operacionais.
Conclusão
Dimensionar um trocador de calor é um desafio e tanto. Este projeto vai além da escolha de um equipamento com capacidade suficiente para determinada aplicação.
Análises integradas de fatores como carga térmica, temperaturas de operação, vazão dos fluidos, coeficiente global de transferência de calor, área de troca, perda de carga e possibilidade de incrustações ao longo da vida útil devem ser considerados.
Assim, resultados mais eficientes e confiáveis surgem junto consumo de energia reduzidos, aumento da estabilidade dos processos e vida útil dos equipamentos prolongada.
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FAQ – Trocadores de calor
1. Quais parâmetros devem ser considerados no dimensionamento de um trocador de calor?
Carga térmica, temperaturas de entrada e saída, vazão dos fluidos, coeficiente global de transferência de calor, área de troca térmica e perda de carga estão entre os principais parâmetros.
2. O que acontece quando um trocador de calor é subdimensionado?
A área de troca pode ser insuficiente para atender à demanda térmica, dificultando o controle da temperatura e aumentando o consumo de energia e o desgaste dos equipamentos auxiliares.
3. Superdimensionar um trocador de calor é uma boa estratégia?
Nem sempre. O superdimensionamento pode elevar o investimento inicial, aumentar o volume interno do sistema e favorecer condições que prejudicam a eficiência operacional.
4. Como as incrustações afetam a eficiência do trocador de calor?
As incrustações criam uma resistência adicional à transferência de calor, reduzindo a eficiência térmica. Por isso, o fator de incrustação deve ser considerado durante o dimensionamento.
