Uma nova geometria de trocadores de calor, altamente eficientes e compactos

Artigo complementar a meu artigo sobre trocadores de calor na Wikipédia, apresentando este tipo relativamente novo de trocador de calor.

Definição

Um trocador de calor espiral ou trocador de calor espiralado (SHE, spiral heat exchanger), refere-se a um configuração de tubos helicoidal (espiralada) [1][2], mas mais genericamente, o termo refere-se a um par de superfícies planas que são espiraladas de forma a formar os dois canais em um arranjo de fluxo, principalmente, contracorrente.[3][4][5] Cada um dos dois canais tem dois longos trajetos curvos. Um par de entradas de fluido são conectados tangencialmente a outros braços da espiral, e as entradas axiais são comuns, mas opcionais.[1][6]

Trocadores de calor espirais, de eixo das espirais horizontal, aberto e fechado

(machineryandequipment.com e spiralheatexchangers.ca).

A principal vantagem dos trocadores SHE é seu uso do espaço altamente eficiente. Esse atributo é muitas vezes alavancado e parcialmente realocado para ganhar outras melhorias no desempenho, de acordo com metodologias conhecidas em projeto de trocadores de calor. (Uma metodologia destacada é a comparação do custo de capital versus o custo operacional.) Um SHE compacto pode ser usado para ter uma menor ocupação nas instalações, e portanto reduz todos os custos de capital relacionados, ou um sobredimensionado SHE pode ser usado para ter-se menor queda de pressão, menor energia de bombeamento, mais alta eficiência térmica, e mais baixos custos de energia.[1][4][5][6]

Esquema das correntes em um trocador de calor espiral (www.valutechinc.com).

Funções de troca de calor que se beneficiam das vantagens dos trocadores de calor em espiral incluem:

• aquecimento, resfriamento ou recuperação de calor líquido / líquido, onde um ou ambos os fluidos podem causar incrustações. (Ver imagem 1)

• vapor / líquido em condensação, particularmente a uma pressão muito baixa e / ou alto fluxo em volume. (Ver imagem 2)

• O desenho, forma e tamanho dos canais de espirais podem ser personalizados de modo que eles são uma combinação perfeita para as exigências associadas com uma ampla variedade de fluidos de processo, funções térmicas e aplicações industriais. (Válido tanto para a imagem 1 e imagem 2)

Trocadores de calor espirais de disposição das superfícies espirais com eixo horizontal (1) e com eixo vertical (2).

(www.alfalaval.com)

Construção

As distâncias entre as folhas dos canais em espiral são mantidas usando pinos espaçadores que foram soldados antes de serem enrolados. Uma vez que o pacote espiral principal foi enrolado, bordas suplentes superiores e inferiores são soldadas e cada extremidade fechada por um plano cone de cobertura cobrir aparafusado ao corpo. Isso assegura que a mistura dos dois líquidos não irá ocorrer. Se um vazamento acontecer, será da cobertura de periferia para a atmosfera, ou para uma passagem que contém a mesmo fluido.[7]

Pinos espaçadores em detalhe.[1]

Sua geometria permite que facilmente sejam dispostos conjuntamente, operando em estágios, como frequentemente é feito no caso de operações de condensação.

Autolimpeza

Trocadores SHE são frequentemente usados no aquecimento de fluidos que contenham sólidos e, portanto, tem uma tendência a incrustação no interior do trocador de calor. A baixa queda de pressão dá ao trocador SHE sua capacidade de lidar com incrustações mais facilmente. O trocador SHE usa um mecanismo de "autolimpeza" pelo qual as superfícies sujas causam um aumento localizado da velocidade do fluido, aumentando assim a arraste (ou atrito fluido) sobre a superfície incrustada, contribuindo assim para retirar o bloqueio e manter limpo o trocador de calor. "As paredes internas que compõem a superfície de transferência de calor são muitas vezes bastante grossas, o que torna o trocador SHE muito robusto, e capaz de durar muito tempo em ambientes exigentes." [8] Eles também são facilmente limpos, abrindo-se como um forno onde qualquer acumulação de incrustação pode ser removidos por lavagem à pressão.

Disposição dos fluxos

Existem três tipos principais de fluxos em um trocador de calor espiral: [1]

1. Fluxo em contracorrente ou em paralelo (co-corrente): Ambos os fluxo de fluidos em direções paralelas na espiral dupla, opostas ou de mesmo sentido. São utilizados para aplicações líquido-líquido, condensação e arrefecimento de gás. As unidades são geralmente montadas verticalmente quando executa-se condensação de vapor e montadas horizontalmente ao manusear altas concentrações de sólidos.

2. Fluxo em Espiral/fluxo cruzado: Um fluido está em fluxo em espiral e outro em um fluxo cruzado. As passagens do fluxo em espiral são soldados de cada lado para este tipo de trocador de calor em espiral. Esse tipo de escoamento é adequado para lidar com gases de baixa densidade, que passam pelo fluxo cruzado, evitando a perda de pressão. Ele pode ser usado para aplicações líquido-líquido se um líquido tem uma vazão consideravelmente maior do que o outro.

3. Vapor distribuido/fluxo em espiral: Este projeto é um condensador, e é geralmente montado verticalmente. Ele é projetado para atender a sub-resfriamento tanto de condensado e não condensáveis. O resfriante move-se em uma espiral e sai através do topo. Gases quentes que entram deixam condensado que sai através da saída inferior.

Trocador de calor espiral de eixo das espirais cambiável.

Aplicações

Os trocadores SHE são bons para aplicações tais como pasteurização, aquecimentos de digestores, recuperação de calor, pré-aquecimento e esfriamento de efluentes. Para tratamento de lamas, trocadores SHE são geralmente menores que outros tipos de trocadores de calor.[9]

Referências

1. Spiral heat exchangers - www.bielletec.it

2. Sentry Equipment Corp Spiral tube Heat Exchangers

3. Saunders, E. A. (1988). Heat Exchanges: Selection, Design and Construction. New York: Longman Scientific and Technical.

4. Alfa Laval Spiral Heat Exchangers

5. Alfa Laval – spiral heat exchangers - www.canaley.com

6. Cooling water - www.gc3.com

7. E.A.D.Saunders (1988). Heat Exchangers:Selection Design And Construction Longman Scientific and Technical ISBN 0-582-49491-5

8. Spiral heat exchangers - www.heseco.com

9. The spiral approach to sludge heat exchange - local.alfalaval.com