Módulo IIIB Trocadores de Calor

Prévia do material em texto

16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 1
TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Trocadores de Calor
CASCO-TUBO
Profa. Dra. Simoni Maria Gheno
Projeto Térmico do Trocador de Calor do 
tipo Casco-Tubos
�Partes do Trocador
�Dimensões dos Tubos: Comprimento e 
Diâmetro
�Disposição dos tubos
�Casco
�Bocais
�Chicanas
�Número de passagens dos fluidos no casco 
e no tubo
�Diferença de temperatura média
2Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 3
Projeto Térmico
Normalmente, o projeto térmico de um trocador 
de calor inicia com o preenchimento preliminar 
de uma folha de dados, completada 
posteriormente após a definição do tipo 
construtivo e do projeto térmico do trocador.
Esta folha de dados, juntamente com os 
desenhos do fabricante, fazem parte da 
documentação do equipamento
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 44
Propriedades físicas dos fluidos
» Viscosidade
» Condutividade térmica
» Calor específico
» Densidade 
Considerações gerais
» A incrustação é normalmente suave a 
temperaturas abaixo de 120 °C.
» A vaporização num trocador de calor pode 
causar severa incrustação, devido a 
concentração das sujeiras no líquido.
»
 ↑ velocidades tendem a ↓ incrustação.
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 2
5
Critérios para Alocação das 
Correntes
Incrustação: o fluido mais incrustante deve ser 
alocado no lado do tubo
Corrosão: o fluido mais corrosivo deve ser alocado 
no lado do tubo. Dessa forma apenas os tubos 
sofreriam danos.
Pressão: o fluido com maior pressão deve ser 
alocado no lado do tubo. Tubos com pequenos 
diâmetros resistem a altas pressões
Viscosidade: o fluido mais viscoso deve ser 
alocado no lado do casco, pois será mais fácil 
atingir-se regime turbulento
6
Critérios para Alocação das 
Correntes
Coeficiente de TC (h): o fluido com menor valor de 
h deve ser alocado no lado do casco, pois há 
maiores possibilidades de elevar-se esse valor, 
por exemplo, por meio de chicanas.
Vazão: o fluido com menor vazão deve ser 
alocado no lado do casco. 
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 77
Fluidos que devem ser alocados nos tubos
» Água de resfriamento
» Fluidos corrosivos ou que podem provocar 
incrustações
» Fluido operando em P elevadas
» Se (Tin – Tout) > 150 °C, este fluido 
usualmente circulará pelo casco, se houver 
mais que um passe no lado dos tubos. 
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 8
A chicana é uma parte integral 
do projeto de TROCADOR DE 
CALOR casco tubo.
É projetada para suportar o 
feixe de tubos e direcionar o 
fluido escoando externamente 
aos tubos para a máxima 
eficiência de troca térmica
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 3
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 9
Funções
suportar os tubos, evitando os problemas 
causados pelas vibrações, 
garantir o fluxo cruzado do fluido do casco, 
aumentando a convecção forçada sobre os 
tubos.
O corte das chicanas é definida como a 
razão entre a abertura e o diâmetro interno de 
um casco. 
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 10
Espaçamento: norma TEMA
 O passo das chicanas é definido como o 
espaçamento entre as chicanas 
longitudinalmente dentro do casco.
comprimento máximo do tubo não 
suportado (Lm)
0,75
em 74dL =
Tubos de aço carbono e suas ligas, Ni e 
suas ligas
Subtrair 12% para tubos de Cu, Al, Ti, Zr
de: diâmetro externo do tubo
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 11
 passo mínimo é recomendado como sendo 2in ou 
(1/5 D interno do casco) - o que for maior
A distância entre as chicanas e os espelhos é 
definida em função dos detalhes construtivos do 
trocador.
A redução do espaçamento da chicana, na etapa de 
projeto, tende a elevar o coeficiente de troca de calor 
do lado do casco, entretanto, o aumento do número 
de chicanas tende a aumentar os vazamentos da 
corrente principal no casco, reduzindo o efeito da 
diminuição do espaçamento.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 12
A chicana mais conhecida é a segmentar
A parte cinza representa a chicana que 
consiste em um disco cortado, o setor cortado 
é a janela (J) da chicana, por onde escoará o 
fluido do lado do casco.
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 13
A altura da janela (J) da chicana é representada por 
Lc, e razão Lc/Ds é o corte da chicana
sc/DLchicana da corte = Ds: diâmetro interno do casco
O corte das chicanas segmentares pode variar de 
15% a 40%, sendo o intervalo de 20% a 30% o mais 
comum e 25% o valor típico.
Quando o objetivo da chicanas for apenas suportar 
os tubos o corte pode atingir até 48%
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 14
Quando o trocador de calor exigir perda de carga 
reduzida, utilizam-se chicanas duplamente ou 
triplamente segmentares
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 15
Passe ou passagem está relacionada ao 
percurso de um fluido de uma extremidade a 
outra do trocador.
Trocador casco tubo n-m: 
n: passagem no casco
m: passagem no tubo
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 16
1 passe no casco 
1 passe nos tubos
� Fluido que escoa do lado do 
tubo entra através de um bocal, 
percorre o trocador de ponta a 
ponta uma única vez e sai pelo 
outro bocal
�Casco: (mesmo raciocínio)
�Toda a vazão se 
distribuirá por todos 
os tubos
�Área total: 
Atubo*nro de tubos
I - Trocador casco tubo 1- 1
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 5
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 17
II - Trocador casco tubo 1- 2
1 passe no casco 
2 passagens nos tubos
Os 2 bocais do fluido do lado 
do tubo estão na mesma 
extremidade do trocador. 
O carretel frontal possui uma divisória que impede que o fluido 
que entra pelo bocal 3 tenha acesso a todos os tubos.
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 18
2 passagens nos tubos: Uma estará paralela com o fluido 
do casco enquanto a outra estará em contra-corrente
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 19
� Em termos de ∆T e fixadas as 4 temperaturas terminais, 
esse modelo de trocador de calor apresentará valor inferior 
ao obtido em contra-corrente pura, pois uma das passagens 
está em paralelo com o casco.
� Pergunta: Se o ∆T do trocador 1-2 é inferior ao ∆T do 
trocador 1-1 em contra-corrente, com as mesmas 
temperaturas terminais, porque utilizá-lo?
?
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 20
� Vazão do lado tubo deverá passar por metade 
dos tubos
� Área total: Atubo*(1/2nro de tubos)
� Dessa forma: a velocidade será o dobro
daquela para o trocador 1-1
� Aumento de velocidade: aumento de h, U,
redução da incrustração, mas aumento da 
perda de carga
�Uso de passagens múltiplas no tubo implica em 
aumento da velocidade do fluido
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 6
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 21
Possibilidades:
� O aumento de U implicará em menor área de 
troca, podendo compensar a redução de ∆T
� Aumento de velocidade reduz efeito da 
incrustação (uma passagem do lado dos tubos 
não é suficiente para atingir a velocidade mínima 
que atenuaria a incrustação.
22Profa. Dra. Simoni Maria Gheno
Trocador de calor de correntes paralelas
( ) ( )[ ]
( )





−
−
−−−
==
scsh
eceh
scsheceh
paralelo
TT
TT
TTTT
MLDT
,,
,,
,,,,
ln
ln
ΔT
23Profa. Dra. Simoni Maria Gheno
Trocador de calor de correntes contrárias
( ) ( )[ ]
( )
( )





−
−
−−−
==
ecsh
sceh
ecshsceh
contra
TT
TT
TTTT
MLDT
,,
,,
,,,,
corrente ln
ln
ΔT
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 24
Fator de correção - F
O fator de correção F é definido como a relação entre a 
diferença de temperatura média real no trocador e a média 
das diferenças de temperatura (MLDT) em contracorrente, 
ou seja:
corrente contraMLDT
TF ∆=
F: indicação de penalidade que ocorre devido ao fato de o 
escoamento não ser totalmente em contracorrente
16/08/2018Profa. Dra. Simoni M. Gheno 7
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 25
Ainda precisaremos de 2 adicionais de temperatura: 
R e S
R - razão entre a queda de temperatura do fluido 
quente e o aumento de temperatura do fluido frio.
12
21
tt
TTR
−
−
=
11
12
tT
tt
−
−
=S
S (efetividade térmica) - razão entre o aumento de 
temperatura do fluido frio e o máximo aumento que 
esse fluido poderia ter em contracorrente
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 26
Linha pontilhada: situação de encontro das 
temperaturas T2=t2
T: temperatura do fluido quente (1→2: resfriamento)
t: temperatura do fluido frio (2→1: aquecimento)
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 27
Dessa forma é possível calcular-se o ∆T real
( )corrente contraln MLDTFT =∆
( )corrente contra
ln
MLDTFAUQ
ΔTAUQ
⋅⋅=
⋅⋅=
Para um trocador com diferentes passagens no casco 
e no tubo, a equação de projeto passa a ser:
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 28
O fator F definirá, no projeto, o número de passagens 
no casco. Costuma-se utilizar um valor mínimo para F 
de 0,8, mas caso o trocador em estudo apresente 
valor de F inferior, seu uso fica inviabilizado e deve-se 
buscar uma nova configuração
Como aumentar F?
aumentando-se o número de passagens pelo casco
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 8
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 29
III - Trocador casco tubo 2- 4
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 3030
Projeto Mecânico
Requisitos a serem observados
»Transferência de Calor
» Perda de Carga
» Restrições de Tamanho
» Materiais
» Custos
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 31
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
Norma TEMA – Tubular Exchangers
Manufactured Association
Utiliza um código com números e letras que define as 
dimensões e o tipo de trocador de calor casco e tubo.
As dimensões fornecidas (números) são o diâmetro 
nominal do casco e o comprimento dos tubos.
O tipo de trocador (letras) refere-se ao cabeçote anterior 
(fixo), tipo de casco e cabeçote posterior
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 32
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
Norma TEMA – Tubular Exchangers
Manufactured Association
Tipos: Cabeçote anterior
A: carretel com tampa removível
B: carretel tipo boné com tampa integral
C: carretel integral com o espelho com tampa removível e 
feixe removível
N: carretel integral com o espelho com tampa removível e 
feixe não removível
D: vedamento especial para altas pressões
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 9
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 33
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
Norma TEMA – Tubular Exchangers
Manufactured Association
Tipos: Casco
E: uma passagem pelo casco
F: duas passagens pelo casco
G: fluxo dividido
H: fluxo duplamente dividido
J: fluxo de entrada ou saída dividido
K: tipo refervedor “Kettle”
X: fluxo cruzado
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 34
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
Norma TEMA – Tubular Exchangers
Manufactured Association
Tipos: Cabeçote posterior 
L: espelho fixo com cabeçote estacionário tipo A
M: espelho fixo com cabeçote estacionário tipo B
N: espelho fixo com cabeçote estacionário tipo N
P: cabeçote flutuante com gaxeta externa
S: cabeçote flutuante com anel bipartido
T: espelho flutuante removível pelo carretel (pull-through)
U: feixe em U
W: espelho flutuante com anel de vedamento especial
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 35
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
Norma TEMA – Tubular Exchangers
Manufactured Association
Exemplo
Um trocador de calor casco e tubo, com espelho 
flutuante, com anel bipartido, com carretel e tampo 
removível, casco de passe simples, com diâmetro 
interno 21,25 polegadas e tubos de 16ft de 
comprimento, será designado pela norma TEMA:
Tamanho 21-192 Tipo AES 
(Size 21-192 Type AES)
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 36
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
Tipos de Trocadores Casco Tubo – Norma 
TEMA
Tipo E
Com 1 passe no 
lado do casco
Tipo F
Com 2 passe no 
lado do casco
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 10
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 37
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
A Norma TEMA estabelece os critérios para o 
projeto, construção, teste, instalação e 
manutenção destes aparelhos. 
São definidas 3 classes de trocadores:
• Classe R
• Classe B
• Classe C
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 38
Profa. Dra. Simoni M. GhenoProfa. Dra. Simoni M. Gheno
» Classe R: para uso em aplicações 
relacionadas ao processamento de Petróleo. 
Considerado serviço severo.
» Classe B: para uso na indústria química em 
geral.
» Classe C: para serviço considerado 
moderado na indústria em geral. 
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 39
Equações Fundamentais
fluxo de massa (Gt) para o escoamento dentro 
dos tubos pode ser escrito
ρ: densidade média do fluido dos tubos (Kg/m3) 
vt: velocidade média dentro dos tubos (m/s)
Nt: número de trajeto nos tubos
N: número total de tubos
Sti: área da seção de escoamento interna de um tubo (m2)
ti
t
.
t
ttt
S
N
N
m
vρG ==
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 40
fluxo de massa (Gc) fluxo de massa para o 
escoamento no casco
C
.
S
G bc
m
=
Fac DLC ⋅⋅=S
s
desCC ba
−
=
Sc: área da seção de 
escoamento para o fluxo cruzado 
através do feixe de tubos
mb: descarga da fração do 
escoamento total que realmente 
cruza o feixe de tubos
L : distância entre duas chicanas 
adjacentes (m)
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 11
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 41
C
.
S
G bc
m
=
Fac DLC ⋅⋅=S
s
desCC ba
−
=
DF: diâmetro do feixe (m)
s: passo dos tubos
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 42
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
42
Coeficiente Global de TC
O coeficiente global de transferência de calor 
em um trocador ( UC ) é definido assim :
U
h h
C
i e
=
+
1
1 1 
1 1 1
U h hC i e
= + 
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 43
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
43
Fator de Incrustação
As incrustações (sujeira ou corrosão) vão 
significar uma resistência térmica adicional à 
troca de calor. 
Rd: denominada fator fuligem
( )
 11
.
d
ei
totale
R
hh
TAq
++
∆
=&



=
=
+=
externo fuligemfator 
interno fuligemfator 
fuligemfator = e 
de
di
ddedid R
R
RRRR
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 44
Trocadores Casco-Tubo testados e certificados segundo NR-13
Brunnschweiler Latina
16/08/2018
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 12
Profa. Dra. Simoni M. Gheno 45
Trocadores Casco-Tubo testados e certificados segundo NR-13
Brunnschweiler Latina 46
Trocadores Casco-Tubo
47
Exercício
Exercício 1. Um trocador de calor TC do tipo 1.1 apresenta as seguintes correntes 
de fluidos: o fluido quente entra a 400oC e sai a 120oC e o fluido frio entra 25oC 
e sai a 78oC. Determine a MLDT para esse trocador de calor considerando que 
as correntes sejam:
a) correntes paralelas; 
b) correntes opostas.
Escolha a melhor opção de uso.
( ) ( )[ ]
( )
( )





−
−
−−−
=
ecsh
sceh
ecshsceh
TT
TT
TTTT
LDT
,,
,,
,,,,
ln
M
corrente contra
( ) ( )[ ]
( )





−
−
−−−
=
scsh
eceh
scsheceh
TT
TT
TTTT
LDT
,,
,,
,,,,
ln
M
paralelo