OP2_02_Trocador de Calor Casco e Tubos

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Trocadores de Calor 
Profa. Dra. Lorena Oliveira Pires 
Engenharia Química 
Instituto de Química 
Unesp - Araraquara 
 
Casco e Tubos 
1 – Casco ou carcaça 4 – Chicanas 7 – Espaçadores de chicana 
2 – Tubos 5 – Carretel 8 – Bocal – lado tubo
3 – Espelho 6 – Tampa do carretel 9 – Bocal – lado casco
 
• Um fluido escoa no interior dos tubos, o outro dentro do casco e por fora 
dos tubos 
Área de troca de calor será: LdNA t ...= 
 
Principais Características 
• É o trocador de calor mais comumente utilizado na indústria química; 
• Pode ser projetado praticamente para qualquer aplicação; 
• Normalmente é o único tipo que pode ser usado para grandes áreas, 
com pressões acima de 30 bar e temperaturas > 260 oC; 
• Fornece grandes áreas de troca; 
• Ampla faixa de vazão, pressão e temperatura; 
• Vários materiais de construção → fluidos corrosivos; 
• Pode operar com líquidos, gases, vapores; 
• Horizontais ou verticais; 
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• Métodos de projeto disponíveis. 
 
 
Tubos do feixe 
• Em FT 1, OP1 e trocador de calor duplo tubo → normas de tubos 
utilizados para transporte 
• Em trocadores de calor casco e tubos → norma BWG 
• Dimensão do tubo é indicada pelo diâmetro externo e espessura 
da parede 
• No BWG define a espessura da parede qualquer que seja o 
diâmetro; varia de 7 a 24 
D.E. (in) D.E. (mm) BWG Espess. (in) D.I. (in) D.I. (mm)
½ 12,70 16 0,065 0,370 9,40
¾ 
19,05 10 0,134 0,482 12,24
19,05 13 0,095 0,560 14,22
19,05 14 0,083 0,584 14,83
19,05 16 0,065 0,620 15,75
19,05 18 0,049 0,652 16,56
1
25,4 16 0,065 0,870 22,10
25,4 18 0,049 0,902 22,91
1¼ 31,75 16 0,065 1,120 28,45
 
• Podem ser lisos (mais comum) ou aletados (dependendo das 
características do fluido que escoa no lado casco; 
• Vários materiais (aço carbono, cobre, latão, aço inox); 
• Comprimentos, diâmetros e espessuras. 
 
Dimensões dos trocadores 
 
 
Comprimento 
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• Maior comprimento possível 
• Fornecedores 
• Layout da instalação: espaço para retirada do feixe 
• Padronização dos trocadores da unidade: limpeza, manutenção e 
substituição dos tubos 
• Padrão: 8, 10, 12, 16 e 20 ft 
• Normalmente a relação entre comprimento e diâmetro do casco está 
entre 5 e 10 
 
Diâmetro 
• O diâmetro é escolhido de 
acordo com as características 
do fluido (incrustação, 
viscosidade e corrosão). 
Mais utilizados: de = 3/4 e 1 in (19,05 e 
25,4 mm) 
Fluidos limpos: 1/4 in ; 
Óleos pesados: 2 in ou mais 
Padrão: 1/4, 3/8, 1/2, 5/8, 3/4, 1, 1¼, 
1½, 2, 2½ 
• Espessura de parede 
Depende da pressão, incrustação e corrosão 
Serviços convencionais: BWG 16 
Fluidos Incrustantes: BWG 14 no mínimo 
 
Disposição dos tubos 
• Existem normas e práticas que governam a disposição dos tubos para 
formar o feixe tubular (arranjos) 
• PT: Passo (pitch) → distância de centro a centro entre tubos adjacentes 
• C’: Abertura (clearence) → diferença entre o passo e o diâmetro externo 
do tubo 
 
Arranjo triangular 
• Trocadores mais compactos 
• Dificuldade de limpeza mecânica do lado casco 
• Fluidos com altos fatores de incrustação no interior dos tubos 
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Arranjo Quadrado 
• Utilizado se houver problema de incrustação no lado casco 
• Passo que possibilite limpeza mecânica 
• Abertura entre os tubos de no mínimo ¼ de polegada (6,35 mm) 
 
 
Tubo de Feixes 
• BWG 
• Diâmetro 
• Espessura da parede 
• Dimensão do trocador 
• 𝐴=𝜋.𝑑.𝐿 
• Disposição dos tubos 
• Arranjo Triangular 
• Arranjo Quadrado 
 
Casco 
• Feito a partir de chapa metálica soldada ou para diâmetros de até 24 in 
com tubos (“pipes”) que seguem a norma IPS. 
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• Tamanhos típicos: 8 a 60 in, existem maiores que 120 in. 
• Diâmetros internos de 12 a 24 in com espessura de 3/8 in suportam 
pressões de 300 psi (20 atm) 
 
Bocais 
 
• Normalmente são seções de tubos soldadas ao casco. 
• Posição : Regra Geral 
• Fluidos sendo aquecidos ou vaporizados: do fundo para o topo 
• Fluidos sendo resfriados ou condensados: do topo para o fundo 
• Dimensões: diâmetro da tubulação conectada (se já definidas). 
• Tabelas: diâmetro do bocal em função do diâmetro do casco 
• normalmente de 2 a 10 in 
 
Chicanas 
• Função: suportar os tubos 
• Evitar curvaturas e possível vibração 
• Direcionar o escoamento do lado casco 
• Melhorar a transferência de calor 
• Evitar regiões mortas 
• Espaçamento padronizado pelas normas de trocadores de calor (TEMA) 
• Espaçamento mínimo: Ds/5 ou 2 polegadas (o que for maior) 
• Espaçamento máximo: comprimento máximo de tubo não 
suportado 
• Comprimento máximo de tubo não suportado 
• Tabelas que consideram o diâmetro externo e o material do tubo 
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• Aproximadamente representado pela equação abaixo para tubos 
de aço carbono e suas ligas, níquel e suas ligas. 
75,0.74 em dl =
 lm e de [in] 
• Subtrair 12% se outros metais 
• Diferentes tipos 
• Escoamento aproximadamente perpendicular aos tubos ou 
paralelos a eles 
• Maioria das aplicações: direcionar o escoamento 
• Mais comum: Segmentar 
 
Chicana Segmentar 
• Janela (J): por onde escoa o fluido do lado casco 
• lc: altura da janela da chicana 
• Corte da chicana: lc/Ds (expresso em %) (entre 15 e 40%; mais comum: 
25%) 
 
• Duplamente segmentar 
• Corte restrito a 20 – 30% 
• As janelas das chicanas 1 e 2 devem ter a mesma área livre 
 
• Triplamente segmentar 
 
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• Orifício por onde passa o tubo na chicana: 0,4 a 1 mm > que o diâmetro 
externo do tubo 
• Abertura diametral casco-chicana: 3-12 mm. 
• Estas aberturas devem existir devido à montagem do trocador: Montar o 
feixe, com as chicanas e colocá-lo dentro do casco. 
• Estes “vazamentos” reduzem o desempenho do trocador. 
• Disco e Anel 
• Formada por uma placa circular da qual se retira um disco central 
 
• Orifício 
• Placas circulares sem cortes 
• Orifícios por onde passam os tubos com diâmetros maiores que os 
padrões definidos para as chicanas segmentares. 
• Escoamento paralelo ao feixe 
• Elevada perda de carga 
• Sem vibração por não existir escoamento cruzado 
 
• Outros tipos 
• Não têm a forma de placas perfuradas ou com cortes 
• Tentativa de eliminar vibração nos tubos e reduzir a perda de carga 
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• Normalmente patenteadas pelas empresas que as desenvolveram 
 
Configurações Mecânicas 
 
Trocadores Casco e Tubos 
• Podem ser classificados quanto a suas características mecânicas 
• Visão geral 
• Trocadores de Espelho Fixo 
• Trocadores de Espelho Flutuante com feixe removível 
 
Espelho Fixo 
• Mais simples e mais barato; 
• Espelhos soldados; 
• Não é possível manutenção ou limpeza mecânica na superfície externa 
dos tubos 
• Fluidos não incrustantes no casco 
• Orifícios dos tubos devem ser vedados nos espelhos se tubo danificado; 
• Inexistência de vedação interna 
• Não há pontos de vazamento 
• Altas pressões 
• Substâncias perigosas 
 
Espelho ou cabeçote flutuante 
• Possuem um espelho fixo, porém não soldado ao casco; 
• Outro espelho livre para expandir 
• Possível retirada do feixe para manutenção e limpeza da superfície 
externa dos tubos 
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Espelho Flutuante removível pelo carretel
 
• Configuração com anel bipartido 
• Diâmetro do carretel flutuante > diâmetro do casco 
• Maior número de tubos no feixe 
 
Tubos em U 
• Construção com apenas um espelho estacionário 
• Diferentes raios de curvatura 
• Possível limpeza da parte externa dos tubos 
• Dificuldade de limpeza mecânica no interior dos tubos 
• Vazio no centro do feixe 
• Para efeito de área de troca considera-se a parte reta dos tubos 
 
Comparação quanto ao custo 
• Espelho Fixo $ 
• Tubos em U $$ 
• Cabeçote Flutuante 
• Removível pelo carretel $$$ 
• Anel bipartido $$$$ 
 
Comparação e indicação 
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Fator de incrustação 
(h.ft2.oF/Btu)
Tipo do feixe
Tubo Casco
≤ 0,002 > 0,002 Tubos em U
Qualquer valor ≤ 0,002
Espelho fixo com limpeza 
química do lado casco
> 0,002 > 0,002 Cabeçote Flutuante
 
 
DesignaçãoTEMA 
• Código com 2 números e 3 letras que define as dimensões e tipo de 
trocador casco e tubos. 
• Os números são o diâmetro nominal do casco (in) e o comprimento dos 
tubos. 
• As letras referem-se ao tipo de trocador (cabeçote anterior, tipo de casco 
e cabeçote posterior). 
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• Tipos de cabeçote anterior, casco e cabeçote posterior 
 
Número de Passagens dos fluidos 
• Passe ou passagem 
• Percurso de um fluido de uma extremidade a outra do trocador 
• Trocador casco e tubos n-m 
• n passagens no casco 
• m passagens nos tubos 
 
• Trocador de calor casco e tubos 1-1 
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• Operações em contracorrente ou paralelo 
• Válidas as deduções feitas para o trocador duplo tubo 
 
 
• Trocador de calor casco e tubos 1-2 
• 1 passagem no lado casco 
• 2 passagens no lado tubo – 1 em paralelo e 1 em contracorrente 
 
 
• Casco e tubos 2-4 com feixe removível 
 
• Não é possível soldar a chicana longitudinal 
• Problemas de vazamento entre as passagens 
• Não há casco com mais de duas passagens 
• Existe trocador 4-8 ? 
• 4 trocadores 1-2 em série 
• 2 trocadores 2-4 em série 
 
• Trocador 3-6 
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Diferença de Temperatura Média 
• A dedução para a verdadeira diferença de temperatura, por meio da 
integração da equação 
tdAUdq = ..
 
não é simples e pode ser encontrada nos trabalhos originais ou em livros 
específicos (Kern) 
• Soluções apresentadas na forma de gráfico 
• Fator de correção F 
• Adimensionais de temperatura 
• Fator de correção F (ou FT) 
contr
real
MLDT
Δt
F =
Diferença de 
temperatura média real 
no trocador
MLDT em contracorrente
 
• Indicação de penalidade por escoamento não ser totalmente em 
contracorrente 
• Adimensionais de Temperatura 
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12
12
21
tT
tt
=S ; 
tt
TT
=R
−
−
−
−
Efetividade Térmica
queda de temperatura do fluido quente
aumento de temperatura do fluido frio
aumento de temperatura do fluido frio
máximo aumento que o fluido poderia ter
 
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Gráfico típico para obtenção de F 
 
Gráfico Çengel 
 
 
Diferença de Temperatura Média 
• F definirá o número de passagens no casco 
• Será a configuração mais simples (menor número de passagens no 
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casco) que forneça F ≥ 0,8 
• Para trocador com diferentes passagens 
contrMLDTFAUtAUq ..... ==
 
 
Termos utilizados 
• Aproximação 
• Valor de T2 – t2 quando T2 > t2 (temperature approach) 
• Interseção 
• Valor de t2 – T2 quando T2 < t2 (temperature cross) 
• Exemplo: uma aproximação de 10 oC significa que o fluido quente sai 
com 10 oC acima da temperatura de saída do fluido frio 
• Apenas em contracorrente pode-se operar com interseção de 
temperaturas 
 
 
Fluxo Cruzado 
Fluido 1
Fluido 2
 
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