Tecnologia inovadora de trocador de calor aprimora projetos comprovados

Eles dizem que você não pode ensinar um novo truque a um cachorro velho, mas às vezes você pode atualizar seu cachorro. Inovações, como tubos torcidos, defletores de metal expandido, superfícies revestidas de grafeno e muito mais estão melhorando o desempenho do trocador de calor e do condensador, tornando algumas atualizações dignas de consideração.

Os trocadores de calor de casco e tubo existem há mais tempo do que qualquer um que esteja lendo este artigo. O trocador de calor oferece muitas vantagens. Pode ser usado em aplicações de condensação, ebulição ou monofásicas; pode ser utilizado em uma ampla faixa de pressões e temperaturas; pode ser construído a partir de uma variedade de materiais para atender à corrosão e outros requisitos de projeto; a manutenção é bastante simples e direta; e pode acomodar várias orientações físicas.

No entanto, existem algumas limitações para o design. O trocador de calor casco e tubo convencional contém defletores no lado do casco para fornecer suporte e direcionar o fluxo através de um curso tortuoso através dos tubos. A desvantagem é que as áreas de baixo fluxo, ou zonas mortas, resultam nas proximidades dos defletores onde pode ocorrer incrustação, corrosão pode não ser controlada e a transferência de calor é reduzida. As mudanças de direção causadas pelos defletores também consomem energia, e a diminuição da pressão no lado do casco pode ser significativa. O design clássico também é propenso à vibração do tubo induzida pelo fluxo, o que pode resultar em falha.

Com esses problemas em mente, não surpreende que os engenheiros tenham continuado a realizar pesquisas para aprimorar o projeto de casco e tubo, resultando em uma nova tecnologia que melhora o desempenho do trocador de calor, neutraliza problemas de incrustação, economiza espaço, reduz custos e aumenta a eficiência. Um grupo que está liderando esse esforço é o Heat Transfer Research Inc. (HTRI).

Com sede em Navasota, Texas, a HTRI é uma empresa de pesquisa e desenvolvimento de software que testa vários tipos de trocadores e superfícies de transferência de calor. Sua equipe conduz pesquisas de equipamentos orientadas para aplicações e usa esses dados proprietários para desenvolver métodos e software para o projeto térmico e análise de trocadores de calor e aquecedores acionados. Sua pesquisa inclui testes físicos, dinâmica de fluidos computacional e visualização de fluxo.

"A HTRI investigou e continua a investigar novos tipos de trocadores comercializados, como trocadores de placas e cascos ou defletores helicoidais", disse Joe Schroeder, vice-presidente sênior de programas técnicos da HTRI.

No trocador de calor defletor helicoidal que Schroeder mencionou, os defletores de placas em forma de quadrante são colocados em um ângulo em relação ao eixo do tubo em um arranjo sequencial para criar um padrão de fluxo helicoidal. O projeto de fluxo helicoidal melhora a eficácia térmica, aumenta a transferência de calor, reduz a perda de pressão, diminui a incrustação e reduz significativamente as preocupações com vibração. Um fabricante do estilo helicoidal, CB&I, diz que o projeto é bem comprovado com mais de 1.800 de seus trocadores de calor HELIXCHANGER em operação em todo o mundo.

Além do design do defletor helicoidal, Schroeder observou que os defletores de metal expandido também estão revolucionando a indústria. O design – patenteado pela EMbaffle BV, uma empresa do grupo Brembana & Rolle, sediada na Itália – apresenta uma grade defletora de metal expandida feita de material de placa que foi cortada e expandida (Figura 1). Os defletores de metal expandidos criam uma estrutura de fluxo aberto, permitindo o fluxo longitudinal no lado do invólucro, o que reduz a perda de pressão no trocador de calor.

1. Expandir uma ideia. O metal expandido é usado em muitas aplicações de usinas de energia, mas a passagem de tubos pelos vazios em forma de diamante em um trocador de calor é um desenvolvimento bastante recente. Cortesia: EMbaffle BV

O fluido do lado do casco flui ao longo dos tubos e a área de fluxo é restrita em cada cruz do defletor, criando turbulência localizada e aumento da velocidade enquanto quebra a camada limite ao redor dos tubos. A forma da grade induz um componente de fluxo cruzado local, além do padrão longitudinal de fluxo em massa, melhorando as características de transferência de calor do trocador de calor.