Trocadores de calor são componentes cuja a finalidade é a transferência de energia por meio de calor, nesse sentido, um fluido será aquecido enquanto o outro será resfriado.
As formas de troca de calor mais efetivas nos trocadores são a condução de calor (aquela que atravessa um material) e a convecção de calor (aquela que movimenta uma massa).
Existem vários tipos de trocadores de calor, o da ilustração é chamado de "Trocador de Calor Casco-tubo". Ele recebe esse nome devido a sua forma construtiva, onde um dos fluidos se movimenta pelo casco e outro pelos tubos.
Note que o fluido que passa pelo casco tem uma trajetória de sobe-desce. Isso acontece devido as "chicanas", verticais.
Esse movimento gera maior perda de carga e consequentemente, uma queda de pressão mais acentuada, no entanto, a turbulência que as chicanas provocam melhora a transferência de calor por convecção.
Note também, que o movimento do fluido pelos tubos acontece da direita para esquerda e depois da esquerda para direita, ou seja, o fluido "passa" duas vezes pelo trocador de calor. Nessa caso, falamos que o trocador de calor é de duas passagens.
Se o trocador de calor tiver a finalidade de condensar o vapor d'água, ele é chamado de condensador. Por outro lado, se ele tem a finalidade de evaporar a água, ele é chamado de evaporador.
O tratamento de água de trocador de calor é de extrema importância para manter a boa qualidade da água a fim de evitar incrustações, corrosões e entupimentos de sais, lamas, bactérias, etc. O serviço de tratamento de água de trocador de calor é critico para a eficiência do equipamento.
Geralmente, o veículo usado para remoção do calor é a água, devido às seguintes propriedades:
É encontrada em abundância e possui baixo custo;
É facilmente bombeada e distribuída;
Absorve grande quantidade de calor por unidade de volume;
Não se expande ou contrai nas temperaturas usualmente requeridas.
No entanto, a água traz consigo grande número de contaminantes, que devido ao aumento de temperatura e concentração, podem provocar problemas como corrosão, incrustações, depósitos e crescimento microbiológico, devendo ser prevenidos com tratamento químico.
É importante analisar os efeitos das perdas de água em um sistema semiaberto de resfriamento no tratamento químico, pois muitas vezes a eficiência está diretamente ligada a um bom balanço material do sistema, de modo a determinar corretamente valores máximos de contaminantes, pH de operação, tipo de inibidores, quantidade de purgas, etc.
Sistema semiaberto de resfriamento
É o tipo de sistema mais empregado e onde ocorrem os maiores problemas com respeito à água de resfriamento, pois geralmente a água quente é passada através de uma torre de resfriamento que remove calor por meio de evaporação parcial da água em circulação.
Devido à evaporação, as impurezas não voláteis presentes na água de reposição são concentradas. Para evitar que alguns constituintes atinjam valores excessivos, parte da água de circulação deve ser removida do sistema, de modo a permitir a reposição com “água fresca” que contém menor teor de impurezas.
Além das perdas por evaporação e descargas, existe a perda por arraste nas torres de resfriamento, decorrentes de respingos da distribuição da água em gotículas pequenas.
Contaminantes
Os contaminantes encontrados nas águas naturais роdem ser divididos em três grupos principais: sólidos dissolvidos, sólidos em suspensão e gases dissolvidos.
A água de reposição de um sistema de resfriamento deve, necessariamente, ser livre de sólidos em suspensão. Normalmente, águas de poços são isentas deste material e águas superficiais, como rios e represas, requerem um prévio tratamento de clarificação e filtração. Geralmente, os sistemas que são abastecidos com água de rede municipal e potável não precisam de pré-tratamento.
Os principais sólidos dissolvidos encontrados são sílica, cálcio, magnésio, ferro, bicarbonato, cloretos e sulfatos. Suas concentrações variam enormemente em função do manancial usado. A unidade empregada é o ppm (parte por milhão) equivalente a um miligrama de um dado contaminante por litro de água (mg/l).
Os gases dissolvidos são menos importantes, com exceção do oxigênio, sempre presente em águas não poluídas e com concentrações variando entre 5 e 8 ppm. O oxigênio é um ativo causador de corrosão e não existe maneira econômica de removê-lo do circuito, pois a água de circulação é constantemente aerada na torre.
O controle da corrosão deve ser feito por meio do uso de inibidores específicos, atuando em determinadas faixas de pH.
Quais os principais problemas?
1) CORROSÃO: A corrosão em sistemas de resfriamento é o maior problema existente. O resultado deste fenômeno é a perda de metal de um lado e formação de depósitos do outro. A água presente em torres de resfriamento apresenta algumas características que favorecem a corrosão: tem boa condutividade elétrica (devido à presença de sólidos dissolvidos), pH próximo ao neutro e presença de alto teor de oxigênio dissolvido.
Quais as consequências?
Redução da eficiência operacional dos trocadores;
Vazamento após furo/redução da vida útil dos feixes;
Redução da resistência mecânica dos feixes;
Aumento da perda de carga/redução da vazão/elevação da pressão da bomba de recirculação (maior custo de energia elétrica);
Redução da vida útil dos trocadores de calor;
Reposição, manutenção e aquisição de equipamentos não previstos;
Riscos operacionais quanto à garantia da qualidade do produto final.
2) INCRUSTAÇÃO: Com a evaporação da água em um sistema de resfriamento, há um aumento na concentração das substâncias dissolvidas que podem se precipitar de forma aderente nas superfícies dos equipamentos (principalmente nas regiões de troca térmica), constituindo as incrustações.
Quais as consequências?
Diminuição das taxas de troca de calor nos trocadores, devido à baixa condutividade térmica das incrustações;
Obstrução e até destruição do enchimento (colmeias) de torres de resfriamento;
Obstrução de tubulações e acessórios, restringindo a área de fluxo e limitando a vazão;
Entupimento de bicos e dispositivos distribuidores de água nas torres de resfriamento, promovendo a ocorrência de canais preferenciais de escoamento e diminuindo a eficiência do equipamento;
Aumento dos processos corrosivos que ocorrem sob os depósitos (áreas sujeitas a diferenciais de aeração).
3) Formação de depósitos ou “FOULING”: Fouling pode ser definido como qualquer tipo de depósito indesejável na superfície da transmissão de calor que reduza a transferência de calor, reduzindo com o passar do tempo, o desempenho térmico e hidráulico das torres de resfriamento.
É importante o tratamento de água eficiente para evitar o acúmulo de material indesejável na superfície de troca de calor. Essa deposição pode ter origem inorgânica ou orgânica.
4) CRESCIMENTO MICROBIOLÓGICO: Os microrganismos provocam depósitos biológicos no sistema, o que impede que o fluxo de água interfira na ação dos inibidores de corrosão e induz a corrosão sob depósito. Os microrganismos são algas, bactérias e fungos e estão presentes devido a contaminações da água de reposição ou mesmo do ar.
Quais as consequências?
Redução da eficiência operacional dos trocadores;
Entupimento dos tubos dos trocadores de calor;
Aumento da perda de carga/redução da vazão/elevação da pressão da bomba de recirculação (maior custo de energia elétrica);
Aceleração da corrosão localizada;
Adsorção e consumo excessivo de produtos químicos.
Acompanhamento técnico
O tratamento químico de águas de resfriamento não se limita apenas à aplicação de alguns produtos na bacia da torre. Também envolve cálculos específicos que devem ser bem conduzidos por técnicos para se atingir resultados assertivos.
Do mesmo modo, o levantamento dos dados físicos do sistema e as análises das águas de reposição e circulação são de suma importância na definição de dosagens iniciais e de manutenção.
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