Termodinâmica - Os Trocadores de Calor

Um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo para transferência de calor eficiente de um meio para outro.Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca misturam-se, ou podem estar em contato direto.Um permutador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determinado fluido. São amplamente usados em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, usinas de geração de energia, plantas químicas, plantas petroquímicas, refinaria de petróleo, processamento de gás natural, e tratamento de águas residuais. Em muitos textos em inglês é abreviado para HX (heat exchanger).

Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro, no qual a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor, transfere calor para o ar fluindo através do radiador (i.e. o meio de transferência de calor). Em outras aplicações são usados para refrigeração de fluidos, sendo os mais comuns, óleo e água e são construídos em tubos, onde, normalmente circula o fluido refrigerante (no caso de um trocador para refrigeração). O fluido a ser refrigerado circula ao redor da área do tubo, isolado por outro sistema de tubos (similar a uma Serpentina (duto)) que possui uma ampla área geometricamente favorecida para troca de calor.

O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmente possui um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas.

Dentro da teoria em engenharia, é um volume de controle, sendo que este equipamento normalmente opera em regime permanente, onde as propriedades da seção de um fluido não se altera com o tempo.

A eficiência de um trocador de calor depende principalmente:

• Do material utilizado para construção;
• Da característica geométrica e
• Do fluxo, temperatura e coeficiente de condutibilidade térmica dos fluidos em evidência.

Genericamente, para melhorar a troca de calor, são colocados aletas em toda a área da tubulação. Estas aletas fazem com que o fluido se disperse em áreas menores, assim, facilitando a troca de calor. Aletas, consistem em células interligadas entre si, onde circula fluido. São construídas em materiais de excelente condutibilidade térmica. Seu uso, acarreta uma grande desvantagem em um sistema termodinâmico, pois reduzem drasticamente a pressão com relação a entrada e saída. A maioria dos trocadores de calor, utilizam tubos com geometrias que favorecem a troca de calor, onde internamente, há em sua área aletas.

Trocador de calor de placas intercambiáveis

Os permutadores de calor existem em várias formas construtivas consoante a aplicação a que se destinam, sendo as principais:

• Permutador de calor de carcaça e tubos (em inglês shell and tube heat exchanger)
• Permutador de calor de placas (plate heat exchanger)
• Permutador de calor de placas brasadas com aletas (brazed plate fin heat exchanger)

Quanto as fases, existem 2 tipos de trocadores de calor:

• Monofásico, onde não há mudança de fase no fluido a ser refrigerado ou aquecido e
• Multifase, onde há mudança de estado físico do fluido.

Exemplo de trocadores de calor monofásicos: Radiador de água e intercooler (ou radiadores a ar).

Exemplo de trocadores de calor multifase: Condensador e evaporadores.

Regime de fluxo

Fluxos contracorrente (A) e paralelo (B)

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  Fig. 1: Trocador de calor casco e tubos, passagem única (fluxo paralelo 1-1)
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  Fig. 2: Trocador de calor casco e tubo, 2 passagens pelos tubos (fluxo contracorrente 1-2)
• 

  Fig. 3: Trocador de calor casco e tubo, 2 passagens pelo casco, 2 passagens pelos tubos (fluxo contracorrente 2-2)

Existem duas classificações primárias de trocadores de calor de acordo com seus arranjos de fluxos. Em trocadores de calor de fluxo paralelo, os dois fluidos entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro lado. Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste pode-se transferir a maior parte do calor do meio quente (de transferência). Ver troca em contracorrente. Em trocadores de calor contracorrente, os fluidos fluem aproximadamente perpendiculares entre si através do trocador.

Para maior eficiência, trocadores de calor são projetados para maximizar a área de superfície da parede entre os dois fluidos, enquanto minimiza a resistência ao fluxo do fluido através do trocador. O desempenho do trocador também pode ser afetado pela adição de aletas ou ondulações em um ou ambos os sentidos, o que aumenta a área de superfície e pode aumentar o fluxo em canal do fluido ou induzir turbulência.

A temperatura de condução através da superfície de transferência de calor varia com a posição, mas uma temperatura média adequada pode ser definida. Na maioria dos sistemas simples, esta é a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD, log mean temperature difference). Às vezes, o conhecimento direto da LMTD não está disponível e o Método das NTU (número de unidades de transferência, em inglês Number of Transfer Units )é usado.

Tipos de trocadores de calor

Trocador de calor casco e tubo[

 Trocador de calor casco e tubo

Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é chamado feixe de tubos e pode ser feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados, etc. Trocadores de calor casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260°C). Isso ocorre porque os trocadores de calor casco e tubo são robustos, devido à sua forma.

Existem várias características de projeto térmico, que devem ser tidas em conta quando projeta-se os tubos na nos trocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem:

• Diâmetro dos tubos: Usar-se tubos de pequeno diâmetro faz o trocador de calor tanto econômico como compacto. No entanto, é mais provável o trocador de calor incrustam mais rapidamente e pequeno tamanho faz a limpeza mecânica das incrustações difícil. Ao prevalecer a incrustação e os problemas de limpeza, tubos de diâmetros maiores devem ser utilizados. Assim, para determinar o diâmetro de tubos, o espaço disponível, custos, incrustação, bem como a natureza dos fluidos devem ser considerados.

• Espessura de parede de tubo: A espessura das paredes dos tubos é normalmente determinada de maneira a garantir:
• Existir espaço suficiente para a corrosão
• Que a vibração induzida por fluxo tenha resistência
• Resistência axial
• Disponibilidade de peças sobressalentes
• Resistência de contenção ou "de cintura" (para suportar a pressão do tubo interno)
• Resistência à flambagem (para suportar sobrepressão no casco)
• Comprimentos dos tubos: trocadores de calor são normalmente mais baratos quando tem um menor diâmetro de casco e um longo comprimento de tubo. Assim, normalmente há um objetivo de tornar o trocador de calor, enquanto ao mesmo tempo fisicamente possível, não excedendo as capacidades de produção. No entanto, existem muitas limitações para isso, inclusive o espaço disponível no local onde vai ser utilizado e a necessidade de assegurar que não haja tubos disponíveis em comprimentos que são o dobro do comprimento necessário (para que os tubos possam ser retirados e substituídos). Além disso, o que tem que ser lembrado, os tubos finos são difíceis de remover e substituir.
• Passo (pitch) dos tubos: quando projeta-se os tubos, é prático para garantir que o passo (pitch) dos tubos (i.e., a distância do centro do tubo ao centro de tubos adjacentes) não seja inferior a 1,25 vezes o diâmetro dos tubos externos. Um passo maior dos tubos leva a um maior diâmetro global do casco que leva a um trocador de calor mais caro.
• Corrugação dos tubos: este tipo de tubos, tubos corrugdos, utilizados principalmente para os tubos internos, aumenta a turbulência dos fluidos e o efeito é muito importante na transferência de calor dando um melhor desempenho.

• Distribuição ou configuração (layout) dos tubos: refere-se a como os tubos são posicionados dentro do casco. Existes quatro tipos principais de configuração dos tubos, os quais são, triangular (30°), triangular "girado" (60°), quadrado (90°) ou quadrado girado (45°). Os padrões triangulares são empregados para produzir maior transferência de calor em que força-se o fluido a fluir de uma forma mais turbulenta ao redor da tubulação. Padrões quadrados são empregados onde alta incrustação é experimentada e operações de limpeza são mais regulares.

• Projeto das chicanas: chicanas ou defletores são usados em trocadores de calor casco e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. Eles correm perpendicularmente ao caso e mantém coeso e fixo o feixe de tubos, evitando que os tubos de vergarem ao longo de um comprimento longo. Eles também podem impedir que os tubos vibrem excessivamente. O tipo mais comum de chicana é a chicana segmentar. As chicanas segmentares semicirculares são orientadas a 180 graus para as chicanas adjacentes forçando o líquido a fluir para cima e para baixo entre o feixe de tubos. Chicanas de espaçamento são de grande importância termodinâmica no projeto de trocadores de calor de casco e tubo. Chicanas devem ser espaçadas, tendo em consideração para a conversão da queda de pressão e transferência de calor. Para a otimização térmica e econômica é sugerido que as chicanas sejam espaçados não mais de 20% do diâmetro interno do casco. Tendo-se chicanas espaçadas muito próximas provoca-se uma maior queda de pressão por causa do redirecionamento de fluxo. Consequentemente com as chicanas espaçadas significa que pode haver regiões mais frias nos cantos entre as chicanas. Também é importante para garantir que as chicanas sejam espaçadas perto o suficiente para que os tubos não cedam. O outro tipo principal de defletor é o disco e defletor de rosca, que consiste de dois defletores concêntricos, o defletor exterior mais amplo parece uma rosquinha (donut), embora o defletor interno é em forma de disco. Este tipo de defletores forçam o fluido a passar em torno de cada lado do disco, em seguida, através do defletor donut gerando um tipo diferente de fluxo de fluido.

Diagrama conceitual de um trocador de calor placa e quadro

Um trocador de calor de placa única

Trocador de calor de placas

Outro tipo de trocador de calor é o trocador de calor de placas. Um deles é composto por placas múltiplas, finas, levemente separadas que têm áreas de superfície muito grande e as passagens de fluxo de fluido de transferência de calor. Este arranjo empilhado de placas pode ser mais eficaz, em um determinado espaço, que o trocador de calor de casco e tubos. Avanços na tecnologia de vedação e brasagem fizeram o permutador de calor do tipo placa cada vez mais prático. Em aplicações HVAC, grandes trocadores de calor deste tipo são chamados placas-e-quadros, quando utilizados em circuitos abertos, estes trocadores de calor são normalmente do tipo vedado permitindo desmontagem, limpeza e inspeção periódica. Existem muitos tipos de trocadores de calor de placa permanentemente ligadas, tais como variedades de placa brasadas por imersão e brasadas a vácuo, e muitas vezes são especificados para aplicações de circuito fechado, como refrigeração. Trocadores de calor de placas também diferem no tipo de placas que são utilizadas, e nas configurações das placas. Algumas placas podem ser carimbados com o "chevron" (forma de insígnia), ou outros padrões, onde outros possam ter aletas e/ou ranhuras usinadas.

Trocador de calor circular adiabático

Um quarto tipo de trocador de calor utiliza um fluido intermediário ou armazena sólidos para manter o calor, que é então transferido para o outro lado do trocador de calor a ser liberado. Dois exemplos disso são rodas adiabáticas, que consistem em uma grande roda com linhas finas em rotação através dos quais fluem os fluidos quentes e frios, e trocadores de calor fluido.

Trocador de calor de placas aletadas

Este tipo de trocador de calor utiliza com passagens em "sanduíche" para aumentar a efetividade da unidade. Os projetos incluem fluxo transversal e contrafluxo com diversas configurações de aletas tais como aletas retas, aletas deslocadas e as aletas onduladas.

Trocadores de calor de placas aletadas são normalmente feitos de ligas de alumínio, que proporcionam maior eficiência de transferência de calor. O material permite que o sistema funcione a baixa temperatura e reduzem o peso do equipamento. Trocadores de calor de placas aletadas são usados principalmente para serviços de baixa temperatura, como plantas de liquefação de gás natural, hélio e oxigênio, as plantas de separação de ar e na indústria de transportes como motores e motores de aeronaves.

Um trocador de calor de placas intercambiáveis de uma piscina de natação.

Vantagens de trocadores de calor de placas e aletas:

• Alta eficiência de transferência de calor especialmente em tratamento de gás
• Maior área de transferência de calor
• Aproximadamente 5 vezes mais leves em peso que os de correspondentes em capacidade trocadores de calor de casco e tubos
• Capaz de suportar a alta pressão

Desvantagens de trocadores de calor de placas e aletas:

• Pode ocorrer entupimento das vias que são muito estreitas
• Dificuldade de limpar as vias

Trocadores de calor fluidos

Este é um trocador de calor com um gás que passa para cima através de um banho de líquido (frequentemente água), e o fluido é, então, levado para outro lugar antes de ser refrigerado. Isto é comumente utilizado para o resfriamento de gases ao mesmo tempo que remove-se certas impurezas, assim, resolve-se dois problemas de uma vez. É amplamente utilizado em máquinas de café expresso como um método de poupar-se energia de resfriamento de água super-aquecida para ser utilizada na extração do expresso.

Unidades de recuperação de calor de resíduos

Uma unidade de recuperação de calor (WHRU, Waste Heat Recovery Unit) é um trocador de calor que recupera o calor de um fluxo de gás quente durante sua transferência para um meio de trabalho, geralmente água ou óleo. O fluxo de gás quente pode ser o gás de exaustão de uma turbina a gás ou um motor a diesel ou a gás de resíduos provenientes da indústria ou da refinaria.

Trocador de calor de superfície raspada dinâmico

Outro tipo de trocador de calor é chamado "trocador de calor de superfície raspada (dinâmico)". São principalmente usados em aquecimento ou resfriamento com produtos altamente viscosos, processos de cristalização, aplicações de evaporação e alta incrustação. Longos tempos de atividade são alcançados devido à raspagem contínua da superfície, evitando assim incrustação e alcançando uma taxa de transferência de calor sustentável durante o processo.

A fórmula usada para isto será , onde Q é a taxa de transferência de calor.

Trocadores de calor de mudança de fase

Típico refervedor de caldeira usado para torres de destilação industrial

Típico condensador de superfície refrigerado a água

Em adição a aquecimento ou resfriamento de fluidos em apenas um única fase, trocadores de calor podem ser utilizados para aquecer um líquido para evaporá-lo (ou fervê-lo) ou são utilizados como condensadores arrefecendo um vapor e condensando-o em um líquido. Em plantas químicas e refinarias, refervedores utilizados para aquecer alimentos de entrada para torres de destilação são frequentemente trocadores de calor.

Instalações de destilação normalmente utilizam condensadores para condensar os vapores destilados novamente em líquido.

Usinas que tenham turbinas movidas a vapor comumente utilizam trocadores de calor para ferver água em vapor. Trocadores de calor ou unidades similares para a produção de vapor de água são frequentemente chamadas caldeiras ou geradores de vapor.

Em plantas de usinas nucleares chamadas reatores de água pressurizada (PWR, Pressurized Water Reactor), trocadores de calor especialmente grandes os quais passam o calor do reator do sistema primário (palnta do reator nuclear) para o secundário (planta de vapor), produzindo vapor da água no processo, são chamados geradores de vapor. Todas as usinas de energia fóssil e nuclear usando turbinas impulsionadas a vapor, tem condensadores de superfície para converter o vapor de exaustão das turbinas em condensado (água) para reutilização.

Para conservar a energia e capacidade de resfriamento em indústrias químicas e outras plantas, trocadores de calor regenerativos podem ser usados para a transferência de calor de uma corrente (fluxo) que precisa ser resfriado a uma outra corrente que precisa ser aquecida, tal como um destilado de arrefecimento e alimentação do refervedor de pré-aquecimento.

Este termo pode também referir-se trocadores de calor que contêm um material dentro de sua estrutura que tem uma mudança de fase. Isso geralmente é uma fase sólida para uma líquida, devido à pequena diferença de volume entre estes estados. Esta mudança de fase efetivamente atua como um "amortecedor" (buffer), pois ocorre a uma temperatura constante, mas ainda permite que o trocador de calor receba o calor adicional. Um exemplo onde isto tem sido investigado é para o uso em eletrônicos de aeronaves de alta potência.

Trocadores de calor de contato direto

Trocadores de calor de contato direto envolvem transferência de calor entre correntes quentes e frias de duas fases na ausência de uma parede de separação. Assim tais trocadores de calor podem ser classificados como:

• Gás– líquido
• Líquido imiscível – líquido
• Sólido-líquido ou sólido-gás

A maioria dos trocadores de calor contacto directo caem sob a categoria Gás-Líquido, onde o calor é transferido entre gás e líquido na forma de gotas, filmes ou sprays.

Tais tipos de trocadores de calor são usados predominantemente em ar condicionados, umidificação de ambientes, resfriamento de água e plantas de condensação.

Fases	Fase contínua	Força condutora	Mudança de fase	Exemplos
Gás – Líquido	Gás	Gravidade	Não	Colunas spray, colunas rechedas
			Sim	Torres de resfriamento, evaporadores por gotejamento
		Forçada	Não	Resfriadores spray/supressores
		Fluxo líquido	Sim	Condensadores spray/Condensadores e evaporadores por jato
	Líquido	Gravidade	Não	Coluna de bolhas, colunas de bandejas perfuradas
			Sim	Condensadores de coluna de bolhas
		Forçada	Não	Espargidores de gás
		Fluxo de gás	Sim	Evaporadores de contato direto, combustão submersa

Serpentinas de ar HVAC

Uma das maiores utilizações de trocadores de calor é para ar condicionado das edificações e veículos. Esta classe de trocadores de calor é comumente chamado serpentinas ou bobinas de ar, ou apenas serpentinas devido à sua tubulação interna frequentemente em serpentina. Serpentinas HVAC líquido-ar, ou ar-líquido são tipicamente de arranjo de fluxo cruzado. Nos veículos, serpentinas de calor são frequentemente chamadas aquecedores centrais.

No lado líquido destes trocadores de calor, os fluidos comuns são água, uma solução de água-glicol, vapor, ou um refrigerante. Para serpentinas de aquecimento, água quente e vapor são mais comuns, e este fluido de aquecimento é suprido por caldeiras, por exemplo. Para serpentinas de resfriamento, água resfriada e refrigerante são mais comuns. Água resfriada é suprida a partir de uma máquina frigorífica que é potencialmente localizado muito longe, mas refrigerante deve ser proveniente de uma unidade de condensação nas proximidades. Quando um refrigerante é utilizado, a serpentina de resfriamento é o evaporador no ciclo de refrigeração por compressão de vapor. Serpentinas HVAC que usam essa expansão direta de refrigerantes são comumente chamados serpentinas DX.

No lado do ar de serpentinas HVAC existe uma diferença significativa entre aquelas utilizados para o aquecimento, e as de refrigeração. Devido a psicrometria, o ar que é esfriado frequentemente tem condensação de umidade fora dela, exceto com fluxos de ar extremamente seco. Aquecimento de algum ar a capacidade deste fluxo de ar de reter água. Então, em serpentinas de aquecimento não é necessário considerar a condensação da umidade em seu lado ar, mas serpentinas de resfriamento devem ser adequadamente projetadas e selecionadas para lidar com as suas particulares umidade latente, assim como as cargas de resfriamento sensível. A água que é removida é chamada condensado.

Para muitos climas, serpentinas HVAC de água ou vapor podem ser expostos a condições de congelamento. Dado que água expande-se sob congelamento, estes um tanto caros e difíceis de substituir trocadores de calor de paredes finas podem ser facilmente danificados ou destruídos por apenas um congelamento. Assim, proteção contra o congelamento das serpentinas é uma das principais preocupações dos projetistas, instaladores e operadores de HVAC.

A introdução de recortes colocados dentro das aletas do trocador de calor controla a condensação, permitindo que as moléculas de água permaneçam no ar refrigerado. Esta invenção permitiu a formação de gelo sem refrigeração do mecanismo de refrigeração.

Os trocadores de calor em combustão direta de caldeiras, típicos em muitas resistências, não são 'serpentinas'. Eles são, pelo contrário, trocadores de calor gás-ar que são tipicamente feitos de metal estampado em chapa de aço. Os produtos da combustão passam de um lado destes trocadores de calor e ar a ser condicionado pelo outro. Um permutador de calor rachado é, portanto, uma situação perigosa que exige atenção imediata, pois os produtos de combustão são então susceptíveis de entrar na edificação ou instalações.

Trocadores de calor espirais

Desenho esquemático de um trocador de calor espiral.

Um trocador de calor espiral (SHE, spiral heat exchanger), pode referir-se a um configuração de tubos helicoidal (espiralada), mais genericamente, o termo refere-se a um par de superfícies planas que são espiraladas de forma a formar os dois canais em um arranjo de fluxo contracorrente.Cada um dos dois canais tem dois longos trajetos curvos. Um par de entradas de fluido são conectados tangencialmente a outros braços da espiral, e as entradas axiais são comuns, mas opcionais.

A principal vantagem dos trocadores SHE é seu uso do espaço altamente eficiente. Esse atributo é muitas vezes alavancado e parcialmente realocado para ganhar outras melhorias no desempenho, de acordo com metodologias conhecidas em projeto de trocadores de calor. (Uma metodologia destacada é a comparação do custo de capital versus o custo operacional.) Um SHE compacto pode ser usado para ter uma menor ocupação nas instalações, e portanto reduz todos os custos de capital relacionados, ou um sobredimensionado SHE pode ser usado para ter-se menor queda de pressão, menor energia de bombeamento, mais alta eficiência térmica, e mais baixos custos de energia.

Construção

As distâncias entre as folhas dos canais em espiral são mantidas usando pinos espaçadores que foram soldados antes de serem rolados. Uma vez que o pacote espiral principal foi enrolado, bordas suplentes superiores e inferiores são soldadas e cada extremidade fechada por um plano cone de cobertura cobrir aparafusado ao corpo. Isso assegura que a mistura dos dois líquidos não irá ocorrer. Se um vazamento acontecer, será da cobertura de periferia para a atmosfera, ou para uma passagem que contém a mesmo fluido.

Autolimpeza

Trocadores SHE são frequentemente usados no aquecimento de fluidos que contenham sólidos e, portanto, tem uma tendência a incrustação no interior do trocador de calor. A baixa queda de pressão dá ao trocador SHE sua capacidade de lidar com incrustações mais facilmente. O trocador SHE usa um mecanismo de "autolimpeza" pelo qual as superfícies sujas causam um aumento localizado da velocidade do fluido, aumentando assim a arraste (ou atrito fluido) sobre a superfície incrustada, contribuindo assim para retirar o bloqueio e manter limpo o trocador de calor. "As paredes internas que compõem a superfície de transferência de calor são muitas vezes bastante grossas, o que torna o trocador SHE muito robusto, e capaz de durar muito tempo em ambientes exigentes." Eles também são facilmente limpos, abrindo-se como um forno onde qualquer acumulação de incrustação pode ser removidos por lavagem à pressão.

Disposição dos fluxos

Fluxos concorrente e contracorrente.

Existem três tipos principais de fluxos em um trocador de calor espiral:

1. Fluxo em contracorrente: Ambos os fluxo de fluidos em direções opostas, é utilizado para aplicações líquido-líquido, condensação e arrefecimento de gás. As unidades são geralmente montadas verticalmente quando condensação de vapor e montadas horizontalmente ao manusear altas concentrações de sólidos.
2. Fluxo em Espiral/fluxo cruzado: Um fluido está em fluxo em espiral e outro em um fluxo cruzado. As passagens do fluxo em espiral são soldados de cada lado para este tipo de trocador de calor em espiral. Esse tipo de escoamento é adequado para lidar com gases de baixa densidade, que passam pelo fluxo cruzado, evitando a perda de pressão. Ele pode ser usado para aplicações líquido-líquido se um líquido tem uma vazão consideravelmente maior do que o outro.
3. Vapor distribuido/fluxo em espiral: Este projeto é um condensador, e é geralmente montado verticalmente. Ele é projetado para atender a sub-resfriamento tanto de condensado e não condensáveis. O resfriante move-se em uma espiral e sai através do topo. Gases quentes que entram deixam condensado que sai através da saída inferior.

Aplicações

Os trocadores SHE são bons para aplicações tais como pasteurização, aquecimentos de digestores, recuperação de calor, pré-aquecimento (ver: recuperador), e esfriamento de efluentes. Para tratamento de lamas, trocadores SHE são geralmente menores que outros tipos de trocadores de calor.

Seleção

Devido às muitas variáveis envolvidas, a seleção ótima de um trocador de calor é desafiante. Cálculos manuais são possíveis, mas muitas interações são tipicamente necessárias. Assim, trocadores de calor são mais frequentemente selecionados através de programas de computador, que por projetistas de sistemas, que são tipicamente engenheiros, ou pelos fornecedores de equipamentos.

De maneira a selecionar um trocador de calor apropriado, os projetistas de sistemas (ou fornecedores dos equipamentos) em primeiro lugar consideram as limitações de projeto para cada tipo de trocador de calor. Embora o custo seja muitas vezes o primeiro critério avaliado, há vários outros importantes critérios de seleção que incluem:

• Limite de alta e baixa pressão
• Performance térmica
• Faixas de temperatura
• O conjunto de produtos (líquido/líquido, líquidos com particulados ou alto teor de sólidos)
• Queda de pressão ao longo do trocador
• Capacidade de fluxo de fluido
• Características de limpeza, manutenção e reparo
• Materiais requeridos para construção
• Capacidade e facilidade de futura expansão

A escolha do trocador de calor correto requer algum conhecimento de diferentes tipos de trocadores de calor, assim como o ambiente no qual a unidade irá operar. Tipicamente na indústria de manufatura, diversos tipos diferentes de trocadores de calor são usados para apenas um processo ou sistema para obter-se o produto final. Por exemplo, um trocador de calor kettle para pré-aquecimento, um trocador de tubo duplo para o fluido transportador e um trocador placa e quadro para resfriamento. Com suficiente conhecimento de tipos de trocadores de calor e requerimentos de operação, uma seleção apropriada pode ser feita para otimizar-se o processo.

Monitoração e manutenção

A inspeção de integridade de trocadores de calor tubular e de placas podem ser testados in situ por métodos de condutividade ou por gás hélio. Estes métodos confirmam a integridade das placas ou tubos para prevenir qualquer contaminação cruzada e as condições das juntas.

Monitoração das condições dos tubos de trocadores de calor pode ser conduzida através de ensaios não destrutivos como os ensaios não destrutivos de tubos (Tubular NDT, de tubular nondestructive testing) e ensaios baseados em correntes parasitas. Os mecanismos de fluxo de água e depósitos são frequentemente simulados por fluidodinâmica computacional (CFD, computational fluid dynamics). A incrustação é um problema sério em alguns trocadoes de calor. Águas doces pouco tratadas são fequentemente usadas como água de resfriamento, o que resulta em detritos biológicos entrando no trocador de calor e produzindo camadas, diminuindo o coeficiente de transferência térmica. Outro problema comum é o "tártaro", ou incrustação calcárea, que é composto de camadas depositadas de compostos químicos, como carbonato de cálcio ou carbonato de magnésio, relacionados com a dureza da água.

Incrustação

Um trocador de calor em uma usina de energia a vapor contaminada com macro-incrustação.

Incrustação ocorre quando um fluido passa por um trocador de calor, e as impurezas no fluido precipitam-se sobre a superfície dos tubos.

A precipitação destas impurezas pode ser causada por:

• Uso frequente do trocador de calor
• Ausência de limpeza regular do trocador de calor
• Redução da velocidade dos fluidos movendo-se através do trocador de calor
• Superdimensionamento do trocador de calor

Efeitos de incrustação são mais abundantes nos tubos quentes dos trocadores de calor que em tubos frios. Isto é causado porque impurezas são menos facilmente dissolvidas num fluido frio. Isto é porque, para a maioria das substâncias, a solubilidade aumenta quando a temperatura aumenta. Uma notável exceção é água dura e seus sais de metais alcalinos-terrosos onde o oposto é verdadeiro.

A incrustação aumenta a área da seção transversal para o calor ser transferido e causa um aumento na resistência à transferência de calor através do trocador de calor. Isto é porque a condutividade térmica da camada de incrustação é baixa. Isto reduz o coeficiente de transferência térmica global e a eficiência do trocador de calor. Ocorrendo isto, pode conduzir a um aumento nos custos de bombeamento e manutenção.

A abordagem convencional para o controle de incrustação combina a aplicação “cega” de biocidas e produtos químicos antitártaro com testes de laboratório. Isto frequentemente resulta em uso excessivo de produtos químicos com o inerente efeito colateral de acelerar o sistema de corrosão e aumentar os resíduos tóxicos - sem mencionar o incremento de custos de tratamentos desnecessários.

No entanto, existem soluções para monitoramento contínuo incrustantes em ambientes líquidos, tais como o sensor Neosens FS, medindo tanto a espessura de incrustação e temperatura, permitindo otimizar a utilização de produtos químicos e controlar a eficiência de limpeza.

O superdimensionamento dos trocadores causa o aumento da incrustação pela diminuição do arraste tanto de sólidos particulados quanto de impurezas que se solidificam e se precipitam ao longo do trocador, não sendo removidos continuamente pela ação do próprio movimento em suficiente velocidade do fluido.

Manutenção

Trocadores de calor de placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente. Trocadores de calor tubulares podem ser limpos por métodos tais como a limpeza ácida, jateamento, jato de água de alta pressão, limpeza por bala, ou por hastes.

Em grande escala os sistemas de refrigeração de água para trocadores de calor, tratamento de água tal como a purificação, a adição de produtos químicos e testes, são usados para minimizar o sujar de equipamento de troca de calor. Outros tratamentos de água também são usado em sistemas de vapor para usinas de energia, etc, para minimizar a incrustação e corrosão da troca de calor e outros equipamentos.

Uma variedade de empresas começaram a utilizar a água ter tecnologia de oscilações para evitar bioincrustação. Sem o uso de produtos químicos, este tipo de tecnologia tem ajudado na provisão de uma baixa queda de pressão em trocadores de calor.

Na indústria

Trocadores de calor são largamente usados na indústria tanto para resfriamento e aquecimento em larga escala em processos industriais. O tipo de tamanho de trocadores de calor usados pode ser adaptado a um processo dependendo do tipo de fluido, sua fase, temperatura, densidade, viscosidade, pressões, composição química e várias outras propriedades termodinâmicas.

Em muitos processos industriais existe desperdício de energia ou uma corrente de calor que está sendo exaurida, trocadores de calor podem ser usados para recuperar este calor e colocá-lo em uso pelo aquecimento de uma outra corrente no processo. Esta prática poupa uma quantidade de dinheiro na indústria como o calor fornecidos a outras correntes dos trocadores de calor que de outra dorma viria de fonte externa a qual é mais custosa e mais nociva ao ambiente.

Trocadores de calor são usados em muitas indústrias, algumas das quais incluem:

• Tratamento de águas residuais
• Sistemas de refrigeração
• Indústria de vinhos e cervejarias
• Indústria do petróleo.
• Indústria química pesada

Na indústria de tratamento de águas residuais, trocadores de calor desempenham um papel vital na manutenção ótima de temperaturas internamente a digestores anaeróbicos a fim de promover o crescimento de microorganismos que removem os poluentes das águas residuais. Os tipos mais comuns de trocadores de calor utilizados nesta aplicação são o trocadores de calor de duplo tubo, bem como os trocadores de calor de placa e quadro.

Em aeronaves

Em aeronaves comerciais, trocadores de calor são usados para tomar calor do sistema de óleo do motor a aquecer combustível frio. Isto melhora a eficiência do combustível, assim como reduz a possibilidade de água aprisionada no combustível congelado em componentes.

No início de 2008, um Boeing 777 voando como British Airways Flight 38 acidentou-se pouco após a pista. No início de 2009 Boeing atualizou informações para os operadores de aeronaves, o problema foi identificado como específico dos trocadores de calor do fluxo de óleo do motor Rolls-Royce.

Um modelo para um trocador de calor simples

Um trocador de calor simples pode ser entendido como dois tubos retos com fluxo de fluido, os quais são termicamente conectados. Considera-se os tubos como de igual comprimento L, conduzindo fluidos com capacidade térmica (energis por unidade de massa por unidade por alteração na temperatura) e considere-se a taxa de fluxo de massa dos fluidos através dos tubos sendo (massa por unidade de tempo), onde o subscrito i aplica-se ao tubo 1 ou tubo 2.

Os perfis de temperatura para os tubos são and onde x é a distância ao longo do tubo. Suponha-se um estado estacionário, de modo que os perfis de temperatura não são funções de tempo. Considere-se também que somente transferência de calor de um pequeno volume de fluido em um tubo está para o elemento de fluido no outro tubo na mesma posição. Não haverá transferência de calor ao longo de um tubo devido a diferenças de temperatura naquele tubo. Pela lei de Newton do resfriamento a taxa de alteração da energia de um pequeno volume de fluido é proporcional à diferença de temperatura entre ele e o elemento correspondente no outro tubo:

onde é a energia térmica por unidade de comprimento e γ é a constante de conexão térmica por unidade de comprimento entre os dois tubos.

Esta alteração na energia interna resulta em uma alteração na temperatura do elemento de fluido. A taxa no tempo de alteração para o elemento de fluido sendo transportado ao longo do fluido é:

onde é a "taxa de fluxo de massa térmica". As equações diferenciais governando o trocador de calor podem agora ser escritas como:

Note-se que, dado que o sistema é um estado estacionário, não há derivadas parciais de temperatura em relação ao tempo, e já que não há transferência de calor ao longo do tubo, não há derivadas segundas em x como é encontrado na equação do calor. Estas duas equações diferenciais de primeira ordem acopladas podem ser resolvidas resultando:

onde , , e A e B são duas ainda indeterminadas constantes de integração. Fazendo-se and serem as temperaturas a x=0 e fazendo-se e serem as temperaturas no final do tubo em x=L. Define-se as temperaturas médias em cada tubo como:

Usando-se as soluções acima, estas temperaturas são:

Escolhendo-se quaisquer duas das temperaturas aima irá permitir que as constantes de integração sejam eliminadas, o que permitirá que as outras quatro temperaturas sejam encontradas. A energia total transferida é encontrada por integração das expressões para a taxa no tempo da alteração de energia interna por unidade de comprimento:

Pela conservação da energia, a soma das duas energias é zero. A quantidade é conhecida como a diferença de temperatura média logarítmica é é uma medida da eficiência do trocador de calor em transferir energia térmica.

Abaixo iremos visualizar um video demonstrando uma troca de calor térmico.

O Parafuso de Arquimedes.

 

Parafuso de Arquimedes ou bomba de parafuso é uma máquina utilizada para transferir líquidos entre dois pontos com elevações diferentes. A sua invenção é atribuída a Arquimedes.

Mecanismo

Esta máquina originalmente era constituída por um parafuso colocado dentro de um tubo cilíndrico oco. Pode ser vista como um plano inclinado (outra máquina simples) envolvido por um cilindro. A extremidade mais baixa é colocada na água e o parafuso é rodado (antigamente por um moinho de vento ou mesmo manualmente, atualmente por um motor elétrico). À medida que a extremidade inferior do tubo roda, este arrasta um determinado volume de água, que, à medida que o veio roda, vai deslizando para cima ao longo do parafuso até sair pela extremidade superior do tubo.

O espaço entre o parafuso e o cilindro não tem que ser estanque, uma vez que a quantidade de água arrastada pelo tubo a cada volta é relativa à velocidade angular do parafuso. Além disso, a água em excesso na secção mais elevada do parafuso é vertida para a anterior e assim sucessivamente, atingindo-se um tipo de equilíbrio durante a utilização desta máquina, o que evita a perda de eficiência da mesma.

O parafuso não tem que obrigatoriamente girar dentro do cilindro, mas pode girar em conjunto com este desde que solidariamente. O espaço entre o parafuso e o cilindro pode ser vedado (por exemplo com uma resina) ou o mecanismo pode ser constituído por uma peça inteira de bronze, como supostamente era o caso na Babilónia.

  

Aplicações

Na antiguidade foram utilizados em sistemas de irrigação, pelos romanos, para retirar água de minas e mais tarde seriam utilizados pelos neerlandeses acoplados a moinhos de vento para drenar os pôlders. Podem também ser utilizados para bombeamento de lamas, betão e esgotos, uma vez que os sólidos não causam grandes problemas de funcionamento.

A partir da década de 1970, os Países Baixos aperfeiçoaram o parafuso de Arquimedes e este tipo de máquina hidráulica é muito utilizado atualmente em todo o mundo, sobretudo para grandes caudais e pequenas alturas (altura máxima de 5,0 m). Existem algumas bombas de parafuso de 6 m de altura funcionando na Avenida Atlântica, em Copacabana, no Rio de Janeiro, para bombear os esgotos da zona sul dentro do interceptor até o emissário submarino de Ipanema. Na Embasa, Empresa Baiana de Águas e Saneamento da Bahia, existem cinco bombas parafuso bombeando esgoto a uma altura de 10 m.

 

 

Músculos Pneumáticos - Princípios de Funcionamento.

Uma alternativa bastante importante para a movimentação de partes móveis de robôs e outros dispositivos mecatrônicos além das que exigem energia elétrica é a que faz uso da pressão do ar. Assim, os dispositivos pneumáticos são tão importantes como os elétricos e mecânicos dando origem a uma ciência independente que é denominada "pneutrônica". Neste artigo mostramos uma alternativa simples para projetos experimentais e didáticos mas que pode ser extendida para outros usos que é a utilização de músculos pneumáticos.

Pequenos compressores movidos a eletricidade ou mesmo a força muscular são baratos e comuns podendo ser usados como uma fonte de energia para movimentação de diversos dispositivos mecânicos. O uso da pressão do ar de um reservatório pode ser uma alternativa econômica e simples para a movimentação destes dispositivos quando se faz uso dos músculos pneumáticos.

Este músculos que podem ser encontrados em casas especializadas do exterior como um de 15 cm de comprimento pode contrair aproximadamente 2,5 cm (20% de seu comprimento) exercendo uma força de 6,5 libras com pressão de 42 psi.

Na figura 1 damos um exemplo de músculo deste tipo mostrando como ele se contrai ao ser inflado.

Movimento do músculo quando inflado.

A força que podem exercer estes músculos possibilita sua utilização em dispositivos de robótica e automação substituindo servos, solenoides e motores.

Conforme podemos ver pela figura, seu princípio de funcionamento é simples: uando vazio ele mantém seu comprimento máximo e nenhuma força é exercida sobre suas extremidades. No entanto, quando inflado ele "incha" e se contrai em até 25% de seu comprimento exercendo uma força que pode ser aproveitada para se movimentar algum dispositivo externo.

A Images é uma das empresas que fornece músculos pnemáticos (air muscles) e no seu site podemos encontrar mais informações sobre seu uso. O endereço na Internet é:

http://www.imagesco.com/catalog/airmuscle/AirMuscle.html

Também recomendamos o livro Robots, Androids and Animatronics de John Iovine (http://www.amazon.com - digite no search o nome do autor ou do livro), que possui um capítulo completo sobre o assunto.

Usando Os Músculos Pneumáticos

Não é preciso ter um compressor profissional ou dispositivos caros de pneumáticas para se realizar algum tipo de montagem prática usando músculos pneumáticos.

Para isso você precisa inicialmente de alguma fonte de ar sob pressão como a bomba de encher pneus do tipo de pedal, como a mostrada na figura 2.

Bomba de ar.

Este tipo de bomba é bastante comum em casas de produtos importados e custa pouco podendo ser usada como fonte de ar sob pressão para acionamento de diversos músculos exercendo uma força considerável.

Além da bomba pneumática é preciso contar com uma válvula tipo "three way". conforme mostra a figura abaixo.

Válvula three way.

Esta válvula tem por finalidade fornecer dois caminhos para o ar: numa posição o ar flui do reservatório para o músculo enchendo-o e com isso provocando sua contração e na outra posição ela permite que o ar que está dentro do músculo escape, fazendo com que ele volte à sua condição de relaxado.

Os outros elementos do sistema são relativamente simples de obter como por exemplo os tubos de nylon para condução do ar, o adaptador para a bomba de ar, a tampa adaptadora e uma garrafa vazia de refrigerante PET.

Estas garrafas têm a vantagem de resistir uma considerável pressão interna sem o perigo de estourar. Sabemos que a pressão que elas aguentam está no limite pois elas começam a inchar. Este ponto nunca deve ser ultrapassado.

Nunca deve ser usada garrafa equivalente, principalmente de vidro que, em caso de explosão pode lanár fragmentos de modo extremamente perigoso em todas as direções.

Na figura abaixo mostramos como o sistema deve ser montado para termos o acionamento de um músculo pneumático de forma simples para um projeto experimental ou didático.

 

Para usar é simples:

Inicialmente bombeia-se o ar para o reservatório (garrafa de refrigerante PET) de modo a se obter uma boa pressão. A válvula de três vias deve estar fechada.

Quando a pressão atingir um bom valor podemos passar ao acionamento. Colocando a válvula na posição 1, o ar flui para o músculo pneumático e obtemos a sua contração.

Passando a válvula para a posição 2, o músculo se esvazia e volta a sua posição de maior comprimento.

Todas estas fases da operação do sistema pneumático experimental são mostradas na figura abaixo.

Fases de operação do músculo.

 

Calculando a força exercida pelo músculo.

Nesta fórmula, a força F que obtemos na extremidade do braço depende de F1 que é a força de contração do músculo e d1 e d2 são as distâncias onde estas forças são aplicadas.

Damos a seguir as características do Músculo Pneumático AM-01 da Images SI Inc de Nova Iorque e que pode ser acessa no endereço: http://www.imagesco.com/index.html

Músculo pneumático.

Nome: AM-01

Comprimento: 150mm

Diametror: 12mm

Carga puxada sob 3.5 bar: 3 quilos

Carga puxada sob 50 PSI: 6.5 lbs

25% de contração com carga de : 3lbs

Motores de Combustão Interna

Motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma a energia proveniente de uma reação química  em energia mecânica. O processo de conversão se dá através de ciclos termosexânicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.

São considerados motores de combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho. Ou seja, são estes gases que realizam os processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão e finalmente exaustão.

Assim, este tipo de motor distingui-se dos ciclos de combustão externa, nos quais os processos de combustão ocorrem externamente ao motor. Neste caso, os gases de combustão transferem calor a um segundo fluido que opera como fluido de trabalho, como ocorre nos ciclos Rankine.

Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes da dissociação de pinogenio nitrogênio.

Ciclos termosexanicos

Ciclo motor de Otto

Ver artigo principal: Ciclo Otto

O motor baseado no ciclo ideal Otto caracteriza-se por ter sua ignição por faísca.

Este tipo é o mais comumente utilizados em automóveis de passeio e motocicletas. Existem processos alternativos em motores experimentais para iniciar a queima como microondas ou uma injeção piloto.

Ciclo motor de Diesel

Ver artigo principal: Ciclo Diesel

Motor diesel

Os motores Diesel caracterizam-se pela ignição por compressão. O fluido de trabalho (normalmente ar) é comprimido sem ser misturado ao combustível e quando o combustível é injetado no fluido comprimido e quente esse se inflama.

As máquinas que impulsionam veículos pesados como caminhões, trens e navios, usualmente são baseadas no ciclo ideal de Diesel, o que não se refere ao combustível utilizado e sim ao ciclo termodinâmico em que operam.

Ciclo Brayton

Ver artigo principal: Ciclo Brayton

O ciclo Brayton é utilizado como modelo ideal para turbinas a gás. Este caso se diferencia dos anteriores pelo fato de operar em regime permanente. Isto é consequência do fato de os processos de compressão, transferência de calor, expansão e exaustão ocorrem ao mesmo tempo, mas, em locais diferentes. Assim, este tipo de motor distingue-se dos motores alternativos, onde os processos ocorrem em uma única câmara, mas, em tempos diferentes.

Construção

Os mecanismos dos motores ditam os processos pelos quais passam os fluidos, determinando as características dos ciclos. Mas, mesmo operando em ciclos temodinâmicos semelhantes, motores de combustão interna podem ter mecanismos e formas construtivas extremamente diversas.

Motor alternativo

Máquinas alternativas possuem elementos que realizam movimentos repetitivos de translação. Nestes motores, o principais destes elementos são os pistões, cujo movimento altera o volume das câmaras de combustão, ora comprimindo os gases, ora sendo movimentado pelos gases.

Motores alternativos dividem-se pelo número de tempos em que completa uma sequencia de processos. Neste caso, tempo é o percurso de um pistão, do ponto morto inferior ao ponto morto superior, o que equivale à meia volta da árvore de manivelas.

Motor dois tempos

Ver artigo principal: Motor a dois tempos

Motor a dois tempos

Num motor a dois tempos, um ciclo termodinâmico se completa a cada volta do eixo, compreendendo as etapas de admissão, compressão, transferência de calor e exaustão. Esta característica permite que o próprio pistão atue também como válvula, abrindo e fechando as janelas (aberturas) na parede da câmara de combustão. Esta opção simplifica a máquina, também dispensando comando de válvula e é muito utilizada em motores de pequeno porte.

Mas, para motores de grande porte, isto não é uma alternativa adequada por reduzir o curso para compressão e permitir a comunicação direta entre a admissão de combustível e os dutos de exaustão. Os maiores motores de propulsão naval, a Diesel, operam em dois tempos, mas, com o emprego de apenas uma janela e uma válvula no cabeçote.

Motor quatro tempos

Ver artigo principal: motor quatro tempos

Motor de ignição por faísca de quatro tempos.

Já nos motores de quatro tempos, os gases completam um ciclo termodinâmico a cada duas voltas do eixo. Neste caso, para um pistão, ocorre admissão e compressão numa volta e transferência de calor na consecutiva.

Esta alternância requer necessariamente o emprego de um (ou mais) comando de válvulas, engrenado à árvore de manivelas de tal forma que tenha metade da velocidade de rotação da mesma, permitindo que o ciclo de abertura de válvulas dure os quatro tempos.

Elementos

O motor pode ser dividido em partes fixas e móveis. Partes fixas são as partes que não entram em movimento, quando o motor entra em funcionamento, em relação aos outros componetes do motor, por exemplo: bloco, cárter e cabeçote. Partes móveis são caracterizadas pelas partes que se movimentam quando o motor entra em funcionamento, tais como, árvore de manivelas, pistão, biela e comando de válvulas.

Motor rotativo

Um motor rotativo é um motor de combustão interna que não utiliza pistões como um motor convencional, mas pode fazer uso de rotores, às vezes chamados de pistões rotativos.

Turbina a gás

Ver artigo principal: Turbina a gás

Turbina a gás

As turbinas a gás são máquinas puramente rotativas, existem em diversas formas construtivas, sempre contendo três sistemas básicos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. As características de cada projeto são funções do meio de transmissão de potência (por eixo ou jato de gases), dos combustíveis utilizados, do porte, das temperaturas de trabalho entre outras variáveis.

Em relação às demais máquinas as turbinas tem característica de ter a maior densidade de potência, ou seja capacidade por peso. Devido a isso, são frequentemente empregadas em aeronaves.

Motor Wankel

Ver artigo principal: Motor Wankel

O motor Wankel é uma variação de motor de combustão interna que combina características de turbinas a gás às de motores a pistão. Apesar de operar com velas de ignição ao invés de combustão contínua como uma turbina, não há peças alternativas. O ciclo termodinâmico neste caso.

Motores do tipo Wankel oferecem, em relação aos motores a pistão, as vantagens de produzir menos vibrações, já que são puramente rotativos. Possuem maior densidade de potência, ou seja, mais potência do que um motor a pistão de mesma cilindrada e demandam menos peças em sua construção. Como desvantagem, eles aquecem mais, geram mais gases poluentes, têm manutenção dos elementos de vedação e são de manufatura mais complexa do que um motor a pistão.

Quasiturbine

Ver artigo principal: Quasiturbine

Em 1996, foi patenteado o motor Quasiturbine, uma variação do motor Wankel. Recebeu este nome pelo fato de seu funcionamento contínuo ser quase igual ao de uma turbina.

Motor Wankel

Quasiturbine

Motores Elétricos - A História.

Um Motor elétrico ou atuador elétrico é qualquer dispositivo que transforma energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.

A tarefa reversa, aquela de converter o movimento mecânico na energia elétrica, é realizada por um gerador ou por um dínamo. Em muitos casos os dois dispositivos diferem somente em sua aplicação e detalhes menores de construção. Os motores de tração usados em locomotivas executam frequentemente ambas as tarefas se a locomotiva for equipada com os freios dinâmicos. Normalmente também esta aplicação se dá a caminhões fora de estrada, chamados eletro-diesel.

Funcionamento

A maioria de motores elétricos trabalha pela interação entre campos eletromagnéticos, mas existem motores baseados em outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas. O princípio fundamental em que os motores eletromagnéticos são baseados é que há uma força mecânica em todo o fio quando está conduzindo corrente elétrica imersa em um campo magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular ao fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor.

A maioria de motores magnéticos são giratórios, mas existem também os tipos lineares. Em um motor giratório, a parte giratória (geralmente no interior) é chamada de rotor, e a parte estacionária é chamada de estator . O motor é constituído de eletroímãs que são posicionados em ranhuras do material ferromagnético que constitui o corpo do rotor e enroladas e adequadamente dispostas em volta do material ferromagnético que constitui o estator...

Tipos de motores

Os motores elétricos mais comuns são:

Motores de corrente contínua

Ver artigo principal: Motor de corrente contínua

Precisam de uma fonte de corrente contínua, neste caso pode ser necessário utilizar um circuito retificador para converter a corrente alternada, corrente fornecida pela concessionária de energia elétrica, para corrente contínua. Podem funcionar com velocidades ajustáveis entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação, ou no caso da alimentação usada ser contínua, como no caso das pilhas em dispositivos eletrônicos.

Motores de corrente alternada

Ver artigo principal: Motor de corrente alternada

São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Seu princípio de funcionamento é baseado no campo girante, que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicada em pólos defasados fisicamente de 120º. Dessa forma, como as correntes são defasadas 120º elétricos, em cada instante, um par de pólos possui o campo de maior intensidade, cuja associação vetorial possui o mesmo efeito de um campo girante que se desloca ao longo do perímetro do estator e que também varia no tempo.

Os principais tipos são os motores:

1. Motor síncrono: funciona com velocidade constante; utiliza-se de um induzido que possui um campo constante pré-definido e, com isso, aumenta a resposta ao processo de arraste criado pelo campo girante. É geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estáveis sob a ação de cargas variáveis. Também pode ser utilizado quando se requer grande potência, com torque constante.
2. Motor de indução: funciona normalmente com velocidade estável, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas encontradas na prática. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de frequência.

A classificação dos motores elétricos quando vista de uma forma um pouco mais detalhada é um tanto complexa e quase sempre leva a confusões mesmo de estudiosos do assunto:

• Motores CC (corrente contínua)
  • Ímã Permanente com ou sem escova (motor CC brushless)
  • Série
    • Universal
  • Shunt ou paralelo
  • Composto(Composição de shunt e paralelo)
• Motores CA (corrente alternada)
  • Assíncrono (de indução)
    • Polifásico
      • Rotor gaiola ou em curto-circuito
      • Rotor enrolado ou bobinado
    • Monofásico
      • Rotor gaiola ou em curto-circuito
        • Fase dividida
        • Capacitor de partida
        • Capacitor permanente
        • Pólos Sombreados
        • Dois capacitores
      • Rotor enrolado ou bobinado
        • Repulsão
        • Repulsão de partida
  • Síncrono
    • Polifásico
    • Monofásico
      • Ímã permanente
      • Histerese
      • Relutância
      • De passo
        • Ímã Permanente
        • Relutância variável
        • Híbrido

Isto é uma pequena amostra da enorme quantidade de motores elétricos que existem. Um estudo profundo seria necessário para conhecer todos eles.

História

O ano de 1886 pode ser considerado, como o ano de nascimento da máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner von Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contínua auto-induzido. Entretanto esta máquina que revolucionou o mundo em poucos anos, foi o último estágio de estudos, pesquisas e invenções de muitos outros cientistas, durante quase três séculos.

Em 1600 o cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres a obra intitulada De Magnete, descrevendo a força de atração magnética. O fenômeno da eletricidade estática já havia sido observado antes pelo grego Tales, em 641 a.C., ele verificou que ao friccionar uma peça de âmbar com um pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pêlos, penas, cinzas, etc.

A primeira máquina eletrostática foi construída em 1663 pelo alemão Otto von Guericke e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.

O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes eléctricas, verificou em 1820 que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente eléctrica. Esta observação permitiu a Oersted reconhecer a íntima ligação entre o magnetismo e a eletricidade, dando assim, o primeiro passo para em direção ao desenvolvimento do motor eléctrico.

O sapateiro inglês William Sturgeon – que paralelamente com sua profissão, estudava eletricidade nas horas de folga – baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor eléctrico transformava-se em um ímã quando se aplicava uma corrente eléctrica, observando também que a força do ímã cessava tão logo a corrente fosse interrompida. Estava inventado o eletroímã, que seria de fundamental importância na construção de máquinas eléctricas girantes.

Em 1832, o cientista italiano S. Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento de vaivém. Já no ano de 1833, o inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor eléctrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente. Para dar uma volta completa, a polaridade do eletroímã era alternada a cada meia volta através do comutador. A inversão da polaridade também foi demonstrada pelo mecânico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um ímã em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um núcleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contínua pulsante através de um comutador.

Grande sucesso obteve o motor eléctrico desenvolvido pelo arquitecto e professor de física Moritz Hermann von Jacobi – que, em 1838, aplicou-o a um bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou a uma velocidade de 4,8 quilômetros por hora.

Somente em 1886 Siemens construiu um gerador sem a utilização de ímã permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo poderia ser retirado do próprio enrolamento do rotor, isto é, que a máquina podia se auto-excitar. O primeiro dínamo de Werner Siemens possuía uma potência de aproximadamente 30 watts e uma rotação de 1200rpm. A máquina de Siemens não funcionava somente como um gerador de eletricidade, mas também podia operar como um motor, desde que se aplicasse aos seus bornes uma corrente contínua.

Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva eléctrica, com uma potência de 2 kW.

A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação à maquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigira sua atenção para o desenvolvimento de um motor eléctrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta ideia, destacam-se o jugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileo Ferraris e o russo Michael von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881.

Em 1885, o engenheiro eletrotécnico Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erroneamente que os motores construídos segundo este princípio poderiam, no máximo, obter um rendimento de 50% em relação a potência consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno protótipo de motor de indução bifásico com rotor em curto-circuito. Também esse motor apresentou rendimento insatisfatório, mas impressionou de tal modo a firma norte-americana Westinghouse, que esta lhe pagou um milhão de dólares pelo privilégio da patente, além de se comprometer ao pagamento de um dólar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento desse motor inviabilizou economicamente sua produção e três anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas.

Foi o engenheiro eletrotécnico Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, entrou em 1889 com o pedido de patente de um motor trifásico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação a potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor de corrente alternada para o motor de corrente contínua eram marcantes: construção mais simples, silencioso, menos manutenção e alta segurança em operação. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5 kW.

No vídeo abaixo iremos ver o funcionamentos e as características de um motor elétrico.