Como escolher um permutador de calor

Os permutadores de calor, também chamados trocadores de calor, são equipamentos que permitem a transferência de energia térmica entre dois fluidos a temperaturas diferentes, através de uma parede que os separa, portanto sem os misturar. Os permutadores de calor estão amplamente presentes na indústria, pois a transferência de energia térmica está no centro de muitos processos industriais (aquecimento ou arrefecimento de um produto, condensação de vapores ou evaporação de líquidos, etc.), mas também são utilizados para poupança de energia (recuperação de energia perdida, otimização energética) ou ainda em automóveis, em sistemas de aquecimento e de ar condicionado, etc.

Existem muitos tipos diferentes de permutadores para dar resposta a necessidades específicas, mas a maioria dos permutadores industriais pode ser classificada em duas categorias principais: permutadores de tubos e permutadores de placas.

Permutadores de calor: ver produtos

Quais os critérios de escolha de um permutador de calor?

Se procura um permutador de calor de série, são muitos os fabricantes que os disponibilizam. Se tiver uma exigência específica, poderá solicitar‑lhes um permutador com uma construção personalizada, de acordo com o uso previsto e as condições ambientais em que o equipamento irá funcionar. A escolha irá basear-se, nomeadamente, nos seguintes fatores:

Tipo de permutador pretendido:
- Os permutadores de calor tubulares são os mais comuns. Um fluido circula dentro dos tubos dispostos no interior de uma carcaça (ou casco) e um segundo fluido passa pelo espaço entre os tubos e a carcaça.
- Os permutadores de calor de placas com juntas (ou com gaxetas) constituem uma alternativa mais compacta e de menor custo. Nestes permutadores, os fluidos circulam entre placas metálicas sem se misturarem.
- Os permutadores de calor de placas soldadas funcionam de forma semelhante aos permutadores de placas com juntas de vedação.
- Os permutadores de calor de placas brasadas são utilizados sobretudo em sistemas de aquecimento, ventilação, ar condicionado e refrigeração.
Condições de funcionamento, incluindo temperatura, caudal e pressão dos fluidos à entrada e à saída do permutador.
Tipos de fluidos que circularão dentro do permutador e respetivas propriedades físicas e químicas.
Condicionantes relacionadas com a instalação e a manutenção.

A partir destes elementos, os fabricantes poderão ajudá-lo a dimensionar o permutador de calor de acordo com as suas necessidades, incluindo a potência térmica do mesmo.

Tipo de permutador de calor	Vantagens	Desvantagens
Permutador tubular	Grandes dimensões possíveis. Suporta fluidos que apresentam grandes diferenças de temperatura na entrada. Suporta pressões muito elevadas. Perdas de pressão mínimas dos fluidos que circulam quer na carcaça quer nos tubos.	Boa transferência de calor entre os dois fluidos, mas eficiência energética inferior à dos permutadores de placas. Manutenção difícil, especialmente dos permutadores de maiores dimensões.
Permutador de placas com juntas (gaxetas)	Compacto. Boa eficiência energética devido à turbulência causada pela forma das placas. Autolimpante. Fácil de desmontar. Possibilidade de aumentar ou diminuir o número de placas.	Temperaturas máximas entre 150 e 200°C. Pressão máxima de 25 bar. Elevadas perdas de pressão de ambos os fluidos devido à turbulência causada pela forma das placas.
Permutador de placas brasadas	Muito compacto. Boa eficiência energética devido à turbulência causada pela forma das placas. Autolimpante. Pode ser desmontado. É possível a limpeza a alta pressão. Alguns permutadores suportam pressões até 140 bar.	Temperatura dos fluidos na entrada limitada a 200°C. Elevadas perdas de pressão de ambos os fluidos devido à turbulência causada pela forma das placas.
Permutador de calor de placas soldadas	Muito compacto. Boa eficiência energética devido à turbulência causada pela forma das placas. Autolimpante. É possível a limpeza a alta pressão. Graças às uniões soldadas, admite grandes diferenças de temperatura entre os fluidos na entrada. Suporta temperaturas compreendidas entre -40 e +500°C.	Não pode ser desmontado. Pressão máxima de 30 bar. Elevadas perdas de pressão de ambos os fluidos devido à turbulência causada pela forma das placas.

Porquê optar por um permutador de calor tubular?

Permutador de calor tubular da Bowman

Os permutadores de calor tubulares foram os primeiros a surgir no mercado, e continuam a ser bastante utilizados na indústria pela sua excelente fiabilidade, em particular com fluidos a alta pressão ou de elevada viscosidade. Os permutadores de calor tubulares são constituídos por tubos, dentro dos quais circula um fluido. Estes tubos encontram-se no interior de uma carcaça, que contém um segundo fluido.

Os permutadores de tubos podem atingir dimensões muito grandes e atender a necessidades de transferência de calor bastante elevadas. A sua manutenção pode ser mais difícil do que a dos permutadores de placas, precisamente devido às suas dimensões e à eventual acumulação de resíduos no interior dos tubos. Além disso, a eficiência de um permutador de tubos é menor do que a de um permutador de placas.

O material da carcaça deve ser compatível com o fluido que circulará no interior desta e o material dos tubos deve ser compatível com ambos os fluidos.

Alguns fabricantes disponibilizam permutadores de calor em serpentina, que são mais compactos.
Porquê optar por um permutador de calor de placas?
Permutador de calor de placas da FISCHER

Os permutadores de calor de placas oferecem bastantes vantagens em relação aos permutadores de calor de tubos. Comparados a permutadores tubulares de desempenho equivalente, são mais compactos, mais leves e mais eficientes.

Os permutadores de calor de placas podem ter diferentes formas construtivas, mas funcionam todos segundo o mesmo princípio: os fluidos escoam entre várias placas muito finas e onduladas (no sentido transversal à passagem do fluido, a fim de criar turbulência), placas estas que asseguram a troca térmica. Os fluidos podem passar pelas placas em contracorrente, o que aumenta a eficiência da permuta de calor. Em certos modelos, é possível adicionar mais placas, a fim de se obter uma área maior de troca de calor, sem aumentar significativamente o espaço ocupado pelo permutador.

Estes permutadores são considerados autolimpantes, uma vez que o escoamento turbulento dos fluidos costuma ser suficiente para limpar quaisquer resíduos. No entanto, esta turbulência provoca perdas de pressão significativas de ambos os fluidos.

Há permutadores de placas construídos com materiais específicos para serem mais leves e mais resistentes à corrosão, como os permutadores de calor em aço inoxidável, os permutadores de calor em titânio, etc.

Os permutadores de calor de placas podem ser divididos em três tipos principais:
- Permutadores de calor de placas com juntas (ou gaxetas): cada placa tem em volta uma junta vedante e o conjunto das placas está montado entre duas placas aparafusadas. Este tipo de permutadores é modular, pois pode‑se facilmente aumentar ou diminuir o número de placas para alterar a área total de troca e, por conseguinte, a potência do permutador. Desta forma, é possível ajustar as temperaturas dos fluidos à saída do permutador. A manutenção destes permutadores é relativamente simples. Contudo, apresentam uma resistência limitada a pressões e temperaturas elevadas. Estas não devem ultrapassar os 150 a 200°C a uma pressão máxima de 25 bar. Terá, também, de se assegurar de que os materiais que compõem as placas e as juntas são compatíveis com os fluidos que irão circular no equipamento.
- Permutadores de calor de placas brasadas: as placas são unidas umas às outras por brasagem de cobre ou níquel, resultando em permutadores compactos e monobloco. Estes permutadores suportam temperaturas de cerca de 200°C e 30 bar de pressão. No entanto, não é possível alterar o número de placas a fim de ajustar a potência do permutador a diferentes necessidades. São, geralmente, mais caros do que os permutadores de placas com juntas, mas apresentam maior durabilidade e são fáceis de limpar graças à possibilidade de limpeza a alta pressão. Este tipo de permutadores pode ser desmontado para se efetuar a manutenção.
- Permutadores de calor de placas soldadas: as placas são soldadas umas às outras, o que os torna mais resistentes do que os permutadores de placas brasadas. Também suportam temperaturas e pressões mais elevadas do que os restantes permutadores de placas (entre -40 e +500°C, a uma pressão máxima de 30 bar). No entanto, não é possível alterar o número de placas para ajustar a potência do permutador. Embora não sejam desmontáveis, são fáceis de limpar a alta pressão.