Um permutador de calor é um dispositivo que transfere parte do calor de um fluido quente para um fluido frio, também conhecido como permutador de calor. Os permutadores de calor desempenham um papel importante nos sectores químico, petrolífero, energético, alimentar e em muitas outras produções industriais. Na produção química, os permutadores de calor podem ser utilizados como aquecedores, arrefecedores, condensadores, evaporadores e recozedores, e são amplamente utilizados.
Adequado para permutadores de calor com diferentes meios, condições de trabalho, temperaturas e pressões, e com diferentes tipos estruturais. A classificação específica dos permutadores de calor é a seguinte
Classificação com base nos princípios de transferência de calor
1. O permutador de calor entre paredes é um tipo de permutador de calor em que dois fluidos com temperaturas diferentes circulam num espaço separado pela parede, conduzindo o calor na parede e a convecção na superfície da parede. O calor é transferido entre os dois fluidos. Os permutadores de calor do tipo parede incluem os permutadores do tipo casco e tubo, do tipo manga e outros tipos de permutadores de calor. Os permutadores de calor de parede são os tipos de permutadores de calor mais utilizados.
2. Um permutador de calor de armazenamento de calor é um corpo de armazenamento de calor composto por materiais sólidos, que transfere calor de um fluido de alta temperatura para um fluido de baixa temperatura. O meio quente atinge primeiro uma determinada temperatura através do aquecimento do material sólido e, em seguida, o meio frio é aquecido pelo material sólido para atingir o objetivo da transferência de calor. Os permutadores de calor regenerativos incluem os tipos rotativo e de comutação de válvulas.
3. Permutador de calor indireto de ligação de fluido O permutador de calor indireto de ligação de fluido é um permutador de calor que liga dois permutadores de calor de superfície com um transportador de calor circulante. O transportador de calor circula entre o permutador de calor de fluido a alta temperatura e o fluido a baixa temperatura, recebendo calor no fluido a alta temperatura e libertando calor para o fluido a baixa temperatura no permutador de calor de fluido a baixa temperatura.
4. O permutador de calor de contacto direto, também conhecido como permutador de calor híbrido, é um equipamento em que dois fluidos entram em contacto direto e se misturam para troca de calor, como uma torre de água fria, um condensador de gás, etc.
5. Um permutador de calor composto é um equipamento que combina dois tipos de métodos de transferência de calor: transferência de calor indireta da superfície do vapor e transferência de calor direta do fluxo de água misturada. Comparado com a transferência indireta de calor na superfície do vapor, tem uma maior eficiência de transferência de calor; Comparado com a mistura direta de vapor e água para troca de calor, tem maior estabilidade e menor ruído unitário.
Classificados por objetivo
1. Um aquecedor aquece o fluido até à temperatura necessária, mas o fluido aquecido não sofre qualquer mudança de fase.
2. O pré-aquecedor pré-aquece o fluido antecipadamente, fornecendo parâmetros de processo padrão para operações de processo.
3. Um sobreaquecedor é utilizado para aquecer um fluido (gás de processo ou vapor) até um estado de sobreaquecimento. 4. O evaporador é utilizado para aquecer o fluido a uma temperatura acima do ponto de ebulição, provocando a evaporação do fluido, normalmente com mudanças de fase.
Classificados por estrutura
Pode ser dividido em: permutadores de calor de cabeça flutuante, permutadores de calor de placas tubulares fixas, permutadores de calor de placas tubulares em forma de U, permutadores de calor de placas, etc
Os permutadores de calor podem ser divididos em três tipos com base em diferentes métodos de transferência de calor: híbrido, armazenamento térmico e inter-paredes.
Um permutador de calor híbrido é um permutador de calor que troca calor através do contacto direto e da mistura de fluidos frios e quentes, também conhecido como permutador de calor de contacto. Uma vez que é necessária uma separação atempada após a mistura e a troca de calor entre dois fluidos, este tipo de permutador de calor é adequado para a troca de calor entre fluidos gasosos e líquidos. Por exemplo, nas torres de arrefecimento utilizadas em centrais eléctricas e químicas, a água quente é pulverizada de cima para baixo, enquanto o ar frio é aspirado de baixo para cima. Na superfície da película de água ou das gotículas do material de enchimento, a água quente e o ar frio entram em contacto para troca de calor. A água quente é arrefecida, o ar frio é aquecido e depois separado atempadamente, dependendo da diferença de densidade entre os dois fluidos.
Um permutador de calor de armazenamento térmico é um tipo de permutador de calor que utiliza o fluxo alternado de fluidos frios e quentes através da superfície do material de armazenamento térmico (embalagem) numa câmara de armazenamento térmico, a fim de trocar calor, tal como uma câmara de armazenamento térmico para pré-aquecer o ar abaixo de um forno de coque. Este tipo de permutador de calor é utilizado principalmente para recuperar e utilizar o calor dos gases de escape a alta temperatura. Um equipamento semelhante destinado a recuperar energia fria é designado por dispositivo de armazenagem a frio, que é frequentemente utilizado em dispositivos de separação de ar.
Um permutador de calor de parede é um tipo de permutador de calor em que os fluidos frio e quente são separados por paredes sólidas e a troca de calor ocorre através das paredes. Por conseguinte, também é conhecido como um permutador de calor de superfície, e este tipo de permutador de calor é o mais utilizado.
Os permutadores de calor de parede podem ser divididos em tipo de tubo, tipo de placa e outros tipos com base na estrutura da superfície de transferência de calor. Os permutadores de calor de tubos utilizam a superfície do tubo como superfície de transferência de calor, incluindo os permutadores de calor de tubos em serpentina, os permutadores de calor tubulares e os permutadores de calor de casco e tubo; Os permutadores de calor de placas utilizam a superfície da placa como superfície de transferência de calor, incluindo os permutadores de calor de placas, os permutadores de calor de placas em espiral, os permutadores de calor de placas com aletas, os permutadores de calor de placas com casco e os permutadores de calor de placas com guarda-chuva, etc.; Outros tipos de permutadores de calor são concebidos para satisfazer determinados requisitos especiais, tais como os permutadores de calor de superfície raspada, os permutadores de calor de placas rotativas e os refrigeradores de ar.
Existem geralmente dois tipos de direcções de fluxo relativo para fluidos em permutadores de calor: fluxo para a frente e fluxo inverso. Quando o fluxo é descendente, a diferença de temperatura entre os dois fluidos à entrada é máxima e diminui gradualmente ao longo da superfície de transferência de calor, até que a diferença de temperatura à saída seja mínima. Quando em fluxo inverso, a distribuição da diferença de temperatura entre os dois fluidos ao longo da superfície de transferência de calor é relativamente uniforme. Partindo do princípio de que as temperaturas de entrada e de saída dos fluidos frio e quente são constantes, quando ambos os fluidos não têm transição de fase, a diferença de temperatura uniforme máxima e mínima no escoamento em contracorrente é a mesma.
Sob a premissa de completar a mesma transferência de calor, a utilização de contracorrente pode aumentar a diferença de temperatura uniforme e reduzir a área de transferência de calor do permutador de calor; se a área de transferência de calor permanecer inalterada, a utilização de contracorrente pode reduzir o consumo de fluidos de aquecimento ou arrefecimento. Se a área de transferência de calor permanecer inalterada, a utilização do contra-fluxo pode reduzir o consumo de fluidos de aquecimento ou de arrefecimento.
Quando há uma mudança de fase (ebulição ou condensação) entre fluidos frios e quentes, e apenas o calor latente de vaporização é libertado ou absorvido durante a mudança de fase, a temperatura do fluido em si não se altera. Por conseguinte, as temperaturas de entrada e de saída do fluido são iguais. Neste momento, a diferença de temperatura entre os dois fluidos é independente da escolha da direção do fluxo do fluido. Para além dos fluxos a montante e a jusante, existem também direcções de fluxo como o fluxo cruzado e a turbulência.
A redução da resistência térmica nos permutadores de calor entre paredes para melhorar o coeficiente de transferência de calor é uma questão importante durante o processo de transferência de calor. A resistência térmica provém principalmente da fina camada de fluido (designada por camada limite) aderida à superfície de transferência de calor em ambos os lados da parede intermédia e da camada de incrustações formada em ambos os lados da parede durante a utilização do permutador de calor. A resistência térmica da parede metálica é relativamente pequena.
O aumento da velocidade do fluxo e da perturbação do fluido pode diluir a camada limite, reduzir a resistência térmica e melhorar o coeficiente de transferência de calor. No entanto, o aumento do caudal do fluido aumentará o consumo de energia, pelo que deve ser feita uma coordenação justa entre a redução da resistência térmica e a redução do consumo de energia durante o projeto. Para reduzir a resistência térmica da sujidade, é possível atrasar a formação de sujidade e limpar a superfície de transferência de calor dentro do prazo.
Geralmente, os permutadores de calor são feitos de materiais metálicos, entre os quais o aço-carbono e o aço de baixa liga são maioritariamente utilizados para fabricar permutadores de calor de média e baixa pressão; além de ser utilizado principalmente para diferentes condições de resistência à corrosão, o aço inoxidável austenítico também pode ser utilizado como um material resistente a altas e baixas temperaturas; O cobre, o alumínio e as suas ligas são normalmente utilizados no fabrico de permutadores de calor de baixa temperatura; A liga de níquel é utilizada em condições de alta temperatura; Além de fabricar peças de juntas, alguns materiais não metálicos têm sido utilizados para fabricar permutadores de calor resistentes à corrosão, tais como permutadores de calor de grafite, permutadores de calor de fluoroplástico e permutadores de calor de vidro.
As principais áreas de aplicação dos permutadores de calor
1、 Indústria química
Os permutadores de calor são amplamente utilizados na indústria química e podem ser utilizados em vários processos, tais como condensação, evaporação, cristalização, secagem e pirólise. As aplicações mais comuns incluem aquecimento de vapor, recuperação de refrigerante, concentração, aquecimento e arrefecimento, etc. A transferência de calor pode ser efectuada através de permutadores de calor, que podem reduzir as emissões de gases nocivos e melhorar a eficiência da produção.
2、 Indústria da energia
No sector da energia, a aplicação de permutadores de calor inclui principalmente petróleo, gás natural, energia nuclear, energia eólica, energia solar, etc. Os permutadores de calor podem ser utilizados para aquecimento, arrefecimento e destilação de petróleo e gás natural. Podem recuperar o calor residual e fornecer energia térmica a outros equipamentos, conseguindo uma utilização eficaz da energia.
3、 Indústria de proteção ambiental
Os permutadores de calor têm também aplicações importantes na indústria de proteção ambiental, que podem ser utilizadas em vários aspectos, como o tratamento de águas residuais, a purificação de gases e a secagem de lamas. A aplicação de permutadores de calor pode reduzir a descarga de gases residuais, águas residuais e escórias, reduzir a poluição e melhorar a eficácia da proteção ambiental.
4、 Indústrias alimentares e farmacêuticas
Em indústrias como a alimentar e a médica, os permutadores de calor são utilizados principalmente para aquecimento, arrefecimento, evaporação, concentração e outros processos. Durante o processamento de alimentos, os permutadores de calor podem ser utilizados para desinfetar e esterilizar, melhorando a qualidade e a segurança dos alimentos; na indústria farmacêutica, os permutadores de calor podem controlar a temperatura de reação, conseguir um fabrico preciso de medicamentos e melhorar a qualidade do produto.
5、 Indústria da construção
No sector da construção, os permutadores de calor são utilizados principalmente em áreas como o AVAC e o ar condicionado. Através da utilização de um permutador de calor, é possível obter aquecimento, arrefecimento, desumidificação e outras funções do ar em situações em que existe uma grande diferença de temperatura entre o interior e o exterior, melhorando o ambiente interior e aumentando o conforto.
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