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Guia para selecionar o trocador de calor direito para aplicações de processamento térmico

trocador de calor de superfície

O processamento térmico é uma parte essencial de muitos processos de produção. Seja cozinhar, pasteurizar ou esterilizar, ou aquecer ou resfriar uma variedade de produtos, é uma aposta segura de que muitos fabricantes usarão um permutador de calor para cumprir os requisitos de processamento térmico. No entanto, com uma variedade de aplicações tão possível, é importante selecionar o permutador de calor direito para sua exigência individual.

Conheça seu processo

Há uma série de tipos no mercado: placa, tubo, tubo ondulado, superfície raspada, etc. Cada um é adequado para uma aplicação específica, então pense cuidadosamente sobre o seu processo, incluindo a natureza dos materiais a serem aquecidos ou arrefecidos , o objetivo do processo (como aquecimento ou pasteurização) e quaisquer restrições do ambiente em que o permutador de calor deve ser usado.

A força motriz para a transferência de calor é a diferença de temperatura entre as duas substâncias (na maioria dos casos, fluidos). No caso de um permutador de calor tubular liso, a temperatura de dois fluídos simples muda à medida que passam pelo permutador de calor.

Uma das razões para a fabricação de tubos ondulados e trocadores de calor de superfície raspada é que eles são adequados para fluidos e materiais com propriedades complexas, como fluidos viscosos e não-newtonianos, ou para materiais que contenham partículas ou sedimentos. Por conseguinte, você deve sempre estar atento ao material a ser processado antes de selecionar seu permutador de calor e é uma boa idéia buscar conselhos profissionais dos fabricantes e seus agentes, para ajudar no processo de seleção.

Um tamanho não se encaixa em todos

Uma vez escolhido o tipo correto de permutador, os processadores devem então certificar-se de que o modelo fornecido esteja dimensionado corretamente para o trabalho. Em outras palavras, que oferece a quantidade certa de transferência de calor para o fluido / s que está sendo tratado e no caudal necessário. O permutador de calor deve ter uma área de transferência de calor suficientemente grande para os fluidos especificados e suas temperaturas especificadas de entrada e saída. A maioria dos cálculos também deve influenciar em variáveis, como se o permutador de calor opera usando fluxo contundente ou paralelo.

Rompendo barreiras

Outro fator importante que controla a transferência de calor é a resistência ao fluxo de calor através das várias "camadas" que formam uma barreira entre os dois fluidos. Existem efetivamente cinco dessas camadas:

  • A "camada limite" interna formada pelo fluido que flui em contato próximo com a superfície interna do tubo.
  • A camada de incrustação formada por deposição de sólidos ou semi-sólidos na superfície interna do tubo (que pode ou não estar presente).
  • A espessura da parede do tubo e do material utilizado, que irá reger a resistência ao fluxo de calor através do tubo em si.
  • A camada de incrustação formada por deposição de sólidos ou semi-sólidos na superfície externa do tubo (que pode ou não estar presente).
  • A "camada limite" externa formada pelo fluido fluindo em contato próximo com a superfície externa do tubo.
  • Os valores dos números 2 e 4 geralmente podem ser fornecidos pelo cliente com base na experiência, enquanto o designer do permutador de calor selecionará o tamanho, a espessura e os materiais do tubo de acordo com a aplicação. A resistência ao fluxo de calor resultante dos números 1 e 5 (conhecidos como coeficientes de transferência de calor parcial) depende tanto da natureza dos fluidos quanto da geometria das próprias superfícies de transferência de calor.

Criando turbulência

Uma maneira de evitar a acumulação dessas camadas é aumentar a velocidade a que o fluido passa através do permutador de calor, de modo que a turbulência é formada e a camada limite se rompe com a superfície do tubo. Este é o ponto em que o chamado fluxo laminar (com o fluido que passa em camadas suaves, onde a camada mais interna flui a uma taxa maior do que o mais externo) torna-se um fluxo turbulento (onde o fluido não flui em camadas lisas mas é misturado ou agitado à medida que flui).

A velocidade em que isso ocorre é influenciada por muitos fatores diferentes, mas para quantificá-lo para especificar permutadores de calor, os engenheiros usam algo chamado o número de Reynolds. Isto é determinado pelo diâmetro do tubo, a velocidade de massa do fluido e sua viscosidade. Reynolds números de menos que 2100 descrevem fluxos laminares, enquanto os números acima de 10000 descrevem o fluxo turbulento completo. Entre os dois valores é uma área de incerteza chamada de zona de transição, onde vemos uma transição geral do fluxo laminar completo para o fluxo turbulento completo. Na prática, os engenheiros tentam fornecer soluções fora desta zona, tanto quanto possível. A deformação do tubo, como a ondulação, ajuda a aumentar o desempenho da transferência de calor, uma vez que entrou na área de fluxo turbulento (Reynold> 2100). Esta é a principal razão para o uso de trocadores de calor de tubos ondulados.

Cálculos de última geração

Tal como acontece com qualquer tipo de ciência, a matemática e a compreensão da dinâmica térmica continuam a evoluir e a melhorar. No entanto, grande parte da literatura comumente usada para construir cálculos e o desempenho do modelo de permutador de calor pode ser até 80 anos de idade e nem sempre reflete a ciência mais recente. Além disso, embora haja literatura científica para o comportamento de fluidos em tubos lisos e ondulados, há poucos dados publicados sobre permutadores de calor de superfície raspada.

Usando nossa experiência e os dados científicos mais recentes disponíveis, a HRS produziu um novo programa de software de última geração que usamos para calcular o tamanho necessário de nossos permutadores de calor. Já está produzindo alguns resultados interessantes e dando novos conhecimentos sobre a melhor maneira de projetar trocadores de calor tubulares e de superfície raspada, que proporcionam os melhores níveis de desempenho.

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