14 Equipamentos de troca térmica

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14) EQUIPAMENTOS DE TROCA TÉRMICA 
 
14.1) Introdução 
 
 A termodinâmica trata das transformações do calor em outras formas de energia 
nos meios materiais e a transmissão de calor é a ciência que trata das taxas de troca de 
calor entre dois corpos de temperaturas diferentes. 
Na engenharia, as taxas de troca de calor são importantes em diversos campos de 
atuação. As taxas de troca exercem grande influência na definição do tamanho dos 
equipamentos, influindo assim, no seu custo e viabilidade. As dimensões dos 
equipamentos, que têm como princípio de funcionamento a troca de calor (caldeiras, 
condensadores, permutadores de calor, etc.), não dependem apenas da quantidade de 
calor a ser trocada. Mas, principalmente, das taxas de transferência de calor nas 
condições dadas. Faremos uma abordagem dos equipamentos de troca térmica voltada 
para o processamento de fluidos, onde esses equipamentos são usados em larga escala. 
 
14.2) Mecanismos de transmissão de calor 
 
 A transmissão de calor pode ser definida como a transmissão de energia de uma 
região para outra , como resultado de uma diferença de temperatura entre elas. Como 
existem diferenças de temperatura em todos os momentos e lugares, o fenômeno da 
transmissão de calor é muito freqüente. A literatura técnica reconhece três tipos 
distintos de mecanismos de transmissão de calor, são eles: 
 
a) condução – é o processo pelo qual, o calor flui de uma região de temperatura mais 
alta para outra de menor temperatura, dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou 
entre meios diferentes, em contato físico direto. 
 Na transmissão de calor por condução, ocorre a transferência de energia de 
vibração entre as moléculas, isto é, a energia é transmitida por meio de comunicação 
molecular direta. O movimento vibratório vai se propagando de molécula para 
molécula, sem apreciável deslocamento dessas moléculas. O efeito observável da 
condução de calor, consiste em uma equalização da temperatura. A condução é o único 
mecanismo pelo qual, o calor pode ser transmitido em sólidos opacos. 
 
b) convecção – é o processo pelo qual, o calor se propaga nos fluidos (líquidos, gases e 
vapores). É um processo de transporte de energia, pela ação combinada da condução de 
calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. A diferença de densidade é o 
fator responsável pela movimentação do fluido. As partes mais aquecidas do fluido 
apresentam uma densidade menor, justificando assim, as trocas constantes de posição 
entre as partes do fluido que estão em temperaturas diferentes durante a troca. Esses 
movimentos do fluido são chamamos de correntes de convecção. A convecção tem 
fundamental importância como mecanismo de transferência de energia entre uma 
superfície sólida e um fluido. 
 
c) radiação – é o processo pelo qual, o calor é transferido de um corpo para outro com 
temperatura mais baixa, estando tais corpos separados, isto é, sem contato físico direto. 
O calor é transmitido por meio de ondas. Neste tipo de transmissão não há necessidade 
de um meio material. A energia transmitida dessa maneira é chamada de calor radiante. 
Um bom exemplo desse mecanismo de transferência é o calor que a terra recebe do sol. 
 
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14.3) Permutadores de calor (trocadores de calor) 
 
 O trocador de calor (ou permutador de calor) é o equipamento que efetua a troca 
de calor entre dois fluidos com temperaturas diferentes. A troca de calor entre dois 
fluidos pode ocorrer com contato direto ou sem contato direto entre eles. Assim temos: 
 
a) trocadores de mistura – são equipamentos que efetuam a troca de calor, mediante o 
contato físico direto entre os fluidos. São os tipos mais simples de trocadores de calor. 
O fluido quente e o fluido frio se misturam no interior do trocador, em quantidades 
apropriadas que irão determinar a temperatura de saída do fluido. Uma limitação neste 
tipo de equipamento é a restrição aos fluidos. Como ocorre a mistura, a troca só pode 
ser feita entre fluidos de mesma natureza para não haver a contaminação dos fluidos. As 
torres de resfriamento são bons exemplos de trocadores que empregam a mistura de 
fluidos. As figuras abaixo mostram os tipos mais comuns de torres de resfriamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) trocadores recuperadores - são equipamentos que efetuam a troca de calor, sem que 
haja o contato físico direto entre os fluidos. O calor é trocado através de uma superfície 
metálica que separa os dois fluidos. Neste caso, não há restrição em relação aos fluidos 
que irão trocar calor, pode haver troca entre fluidos de qualquer natureza. A figura 
abaixo mostra um trocador recuperador do tipo casco e tubos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14.4) Trocadores recuperadores 
 
 Os trocadores recuperadores têm grande aplicação industrial no processamento 
de fluidos, pela facilidade do uso de fluidos de qualquer natureza para realização da 
troca térmica. Vejamos a seguir os principais tipos de trocadores recuperadores 
utilizados no processamento de fluidos: 
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a) aquecedores – são trocadores de calor utilizados para aquecer um fluido que está 
sendo processado. O vapor é usualmente empregado para o aquecimento de outros 
fluidos. Pode-se usar ainda, um outro fluido pertencente ao processo que tenha 
temperatura suficiente. O fluido que está sendo aquecido não muda de estado físico. 
 
b) resfriadores – são trocadores de calor utilizados para resfriar um fluido que está 
sendo processado. O fluido de resfriamento mais utilizado é a água. Como no item 
anterior, pode-se usar um outro fluido do processo para fazer o resfriamento. 
 
c) condensadores – são trocadores que têm por objetivo a remoção de calor latente em 
vez de calor sensível. 
 
d) refervedores – são trocadores de calor utilizados para suprir as necessidades de calor 
latente de um processamento. 
 
14.5) Formas de construção mecânica dos trocadores de calor recuperadores 
 
14.5.1) Permutadores duplo-tubo (tubo-dentro-de-tubo ou bitubular) 
 
 Este tipo de construção apresenta um tubo de diâmetro menor, dentro de outro 
tubo de maior diâmetro. Cada tubo tem a extremidade fechada e possui bocais para a 
entrada e saída dos fluidos. Um fluido escoa dentro do tubo de menor diâmetro e o 
outro, no espaço entre os dois tubos (espaço anular). Os fluidos trocam calor através da 
parede do tubo interno. Neste tipo de permutador a perda de carga é pequena. Porém 
não podemos contar com grandes áreas de troca. Grande área de troca térmica neste tipo 
de permutador implica num grande comprimento dos tubos, o que pode inviabilizar a 
sua aplicação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 Os trocadores de duplo tubo apresentam normalmente, uma área de troca térmica 
menor que os outros modelos. Portanto, pode-se usar um acessório preso ao tubo, para 
aumentar a área de troca térmica. Esses acessórios são conhecidos como aletas e na 
figura abaixo podemos ver os três tipos mais conhecidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14.5.2) Permutadores de placas 
 
 São permutadores constituídos porplacas isoladas entre si, por meio de juntas de 
vedação. Os fluidos escoam entre as placas, em circuitos independentes, trocando calor 
através da superfície das placas, sem que haja contato direto entre os fluidos. Este tipo 
de permutador apresenta grandes áreas de troca. Porém, acarretam perdas de carga 
maiores que os outros modelos (duplo-tubo e casco e tubos). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14.5.3) Permutadores de casco e tubos 
 
 Os permutadores de calor do tipo casco e tubos são constituídos de uma carcaça 
(casco) que abriga em seu interior um feixe de tubos (feixe tubular). Todos os tubos do 
feixe são ligados a uma placa metálica chamada de espelho. Um dos fluidos escoa 
dentro dos tubos do feixe e o outro fluido no espaço interno do casco, entre o tubos do 
feixe. Os fluidos realizam a troca de calor através da superfície das paredes dos tubos do 
feixe tubular. 
Os permutadores de casco e tubos são os mais usados nas indústrias que fazem 
processamento de fluidos, onde destacamos as indústrias: química, de petróleo e 
petroquímica. Devido à sua importância, ainda neste capítulo, estudaremos de forma 
mais detalhada este tipo de permutador. 
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14.6) Tipos de correntes 
 
 A maneira como os fluidos escoam no interior dos permutadores é chamada de 
correntes. Os tipos de correntes servem para classificar o escoamento dos fluidos, 
quanto a sua direção e sentido. São três os tipos de correntes: 
a) correntes paralelas: quando os fluidos escoam na mesma direção e sentido. 
 
b) correntes opostas (ou contra corrente): quando os fluidos escoam na mesma direção, 
porém, em sentidos opostos. 
 
c) correntes cruzadas: quando os fluidos escoam em direções que se cruzam. 
 
 Podemos tomar como exemplo de corrente cruzada, as correntes do trocador de 
placas mostradas na figura do item 5.2. Na figura abaixo podemos observar os tipos 
paralela e oposta e o comportamento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14.7) Permutadores de casco e tubos 
 
14.7.1) Principais partes 
 
 Podemos dividir os permutadores do tipo casco e tubos, em três partes 
principais: casco, carretel e feixe tubular. 
 
a) Casco (Shell) – é a parte do equipamento que abriga o feixe tubular. Um dos fluidos 
escoa no seu interior, entre os tubos do feixe tubular. 
 
b) Feixe tubular (Bundle) – é o conjunto formado pelos tubos e o (s) espelho (s). Um 
dos fluidos escoa no interior dos tubos. Os tipos mais comuns de feixe tubular, são: 
- de espelhos fixos: este tipo de feixe tubular é integrado ao casco, não permite 
desmontagem do feixe para limpeza. 
- com espelho flutuante (floating head blundle): este feixe possui um espelho em cada 
extremidade dos tubos. Um dos espelhos recebe um cabeçote flutuante para 
proporcionar o retorno do fluido. 
- em forma de “U”: este modelo possui apenas um espelho. Os tubos são curvados em 
forma de “U”. A entrada e a saída de cada tubo é ligada ao mesmo espelho. O próprio 
feixe é o responsável pelo retorno do fluido. 
 
c) Carretel – é uma câmara ligada ao espelho, por meio de juntas de vedação, que 
proporciona a entrada e saída do fluido que escoa no interior dos tubos do feixe tubular. 
 
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14.7.2) Formas padronizadas de permutadores casco e tubos 
 
 A norma TEMA padroniza os tipos de permutadores, identificando com uma 
letra, cada tipo usual de carretel, casco e feixe tubular. Assim, temos: 
a) tipos de carretel: A , B , C , D e N 
 
b) tipos de feixe tubular: L , M , N , P , S , T , U , e W 
 
c) tipos de casco: E , F , G , H , J , K e X 
 
 Na figura abaixo, podemos observar a padronização feita pela norma TEMA 
para os diversos tipos de componentes de um trocador de calor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Os permutadores são identificados conforme a classificação das suas partes. A 
próxima figura mostra a identificação dos permutadores, conforme a norma TEMA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
- Principais partes dos permutadores: 
 
1 - Casco (shell) 14 - Tirantes 
2 - Flanges do casco 15 - Quebra jato 
3 - Bocais do casco (shell nozzles) 16 - Espelho flutuante 
4 - Flanges dos bocais 17 - Anel bipartido 
5 - Reforço dos bocais 18 - Tampa flutuante (floating cover) 
6 - Carretel (channel) 19 - Tampa do casco 
7 - Flanges do carretel 20 - Flange da tampa do casco 
8 - Tampa do carretel (channel cover) 21 - Vertedouro 
9 - Bocais do carretel 22 - Berços 
10 - Chicana do carretel (channel baffle) 23 - Dreno 
11 - Espelho 24 - Respiro 
12 - Tubos 25 – Junta de expansão do casco 
13 - Chicanas do feixe tubular 
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14.7.3) Seleção de permutadores casco e tubos 
 
 Quando se deseja especificar um trocador de calor do tipo casco e tubos para um 
determinado serviço, devemos levar em conta alguns fatores de grande importância, 
como: 
 
a) Escolha do fluido que irá escoar no interior dos tubos do feixe: 
 
 Quando não existirem motivos especiais que determinem o local de escoamento 
de cada fluido, deve-se seguir o critério abaixo que está orientado em ordem de 
importância. 
 
1o ) Fluido mais corrosivo, que exija materiais mais caros; 
2o ) Água; 
3o ) Fluido de menor viscosidade, ou para o qual seja permitido maior perda de carga; 
4o ) Fluido de maior pressão; 
5o ) Fluido de maior taxa de incrustação; 
6o ) Fluido com maior vazão. 
 
b) Escolha do tipo de feixe tubular 
 
 As características fisico-químicas dos fluidos que irão trocar calor e as variáveis 
do processo, devem ser observadas na escolha do tipo de feixe tubular. Cada tipo de 
feixe tubular favorece uma determinada situação. Vejamos as principais características 
de cada tipo: 
 
- feixe com espelho flutuante: construção cara e tradicional para serviços severos. O 
feixe pode ser retirado do interior do casco, o que permite uma limpeza de boa 
qualidade da parte externa dos tubos. Com a desmontagem do cabeçote flutuante, o 
acesso para a limpeza do interior dos tubos é total (tubos retos), facilitando a operação 
de “vareteamento” dos tubos. A possibilidade de retirar o feixe do interior do casco, 
facilita o trabalho da inspeção periódica do equipamento. Na figura abaixo podemos 
observar o detalhe de montagem de um cabeçote flutuante. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
- feixe tubular em “U”: este tipo de feixe permite qualquer pressão no interior dos 
tubos. Pode ser removido do casco, permitindo um boa limpeza externa dos tubos. A 
limpeza mecânica no interior dos tubos é difícil e não recomendada, pois, pode causar 
danos aos tubos. A limpezano interior dos tubos , geralmente, é feita com produtos 
químicos. Este tipo de limpeza é chamado de “decapagem”. Este tipo de feixe custa em 
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média, de 15 a 20 % menos que os de espelho flutuante. Podemos observar na figura 
abaixo o formato deste tipo de feixe. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
- feixe com espelhos fixos: este feixe apresenta os dois espelhos soldados ao casco, 
portanto, não pode ser removido. A limpeza externa dos tubos fica prejudicada. O fluido 
que escoa no casco deve ser um fluido limpo. Indicado para grandes diferenciais de 
pressão. O acesso para a limpeza mecânica do interior dos tubos é boa. A temperatura 
de serviço, devido a rigidez do conjunto, é um fator que limita sua utilização. O fluido 
mais quente não pode ultrapassar a temperatura de 150oC. 
 
 Podemos destacar também dois componentes que aparecem nos três tipos de 
feixe tubular e que apresentam uma grande importância no funcionamento dos 
permutadores. Os dois componentes são: 
 
- chicanas (ou defletores) – são placas colocadas em uma posição perpendicular ao eixo 
axial do feixe, para forçar uma forma de escoamento desejada. Pois, um líquido mantido 
num estado de turbulência, apresenta coeficientes de transmissão de calor mais 
elevados. A figura abaixo mostra uma ilustração de um tipo de chicana. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
- espelhos – são placas espessas onde ficam presos os tubos. Os furos feitos no espelho 
definem os tipos de passos usados nos feixes tubulares. A figura abaixo mostra os 
principais tipos de passos que são encontrados. 
 
 
 
 
 
 
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14.7.4) Manutenção de permutadores casco e tubos 
 
 A manutenção desses equipamentos deve ser feita de forma periódica. Após um 
determinado tempo de funcionamento (campanha), o equipamento deve ser aberto para 
que seja efetuada sua limpeza e inspeção. Devemos lembrar que uma manutenção e 
inspeção periódica adequadas, além de garantir a vida útil do equipamento, evita que o 
mesmo sofra paradas não programadas para manutenção. Pois, devemos lembrar que a 
parada desses equipamentos, implica na parada do processo, ou seja, implica em parada 
de produção. Vejamos um “passo a passo” da seqüência de manutenção desses 
equipamentos: 
 
1o ) Parada do equipamento e isolamento dos fluidos 
 
 Antes de iniciar o serviço de manutenção, o equipamento deve ser drenado 
(retirar os fluidos do seu interior) e lavado com água. O fluxo dos fluidos deve ser 
interrompido com o fechamento das válvulas de bloqueio, nas tubulações de entrada e 
saída dos fluidos. Após o fechamento dos bloqueios, as raquetes ou as figuras 8 
(dispositivos que garantem estanqueidade) devem ser instaladas nas tubulações de 
entrada e saída. Tudo isto é feito para termos a garantia de que não haverá fluido do 
processo no interior do equipamento, após a sua abertura. Como é comum o 
processamento de fluidos corrosivos, tóxicos ou inflamáveis, com essas ações, 
garantimos a segurança das instalações e dos executantes da manutenção. 
 
2o ) Abertura do equipamento 
 
 O permutador deve ser aberto e o feixe tubular retirado (se for possível) do 
casco, para facilitar os trabalhos de limpeza e inspeção. 
 
3o ) Limpeza 
 
 Ao longo da sua utilização, o permutador vai acumulando resíduos que ficam 
impregnados na superfície interna e externa dos tubos. Essas incrustações não 
apresentam a mesma condutibilidade térmica das paredes metálicas dos tubos, logo, 
precisam ser removidas para não dificultarem a troca térmica. 
 Todas as superfícies que participam da troca térmica, devem ser hidrojateadas 
(jato de água à alta pressão – 5000 psi), a fim de remover as incrustações. Quando se 
utiliza a água no interior dos tubos é normal a presença de depósitos sólidos de alta 
dureza. Esses depósitos são removidos com uma operação chamada de vareteamento , 
que é feita com uma vareta metálica com uma broca soldada à ponta. A vareta é 
movimentada por uma máquina rotativa e o avanço é feito manualmente. A operação é 
feita até que o tubo esteja desobstruído, permitindo o escoamento pleno da água no 
interior do tubo. 
 
4o ) Inspeção do equipamento 
 
 A inspeção do equipamento é feita, antes e após a limpeza, com o objetivo de 
detectar anormalidades que possam afetar o bom funcionamento do mesmo ou fazer que 
o equipamento venha a falhar em operação. Alguns fatores de grande importância 
devem ser observados durante a inspeção: 
 
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a) incrustações no interior dos tubos 
b) corrosão nos tubos 
c) tubos furados 
d) corrosão no casco 
 
 Em algumas situações, antes da limpeza, recolhe-se uma amostra dos resíduos 
para uma análise. O objetivo da análise é detectar a presença de produtos indesejáveis, 
normalmente, provenientes de reações químicas. Após a análise são tomadas ações para 
bloquear ou diminuir as ocorrências indesejáveis. Essas ações vão desde a alteração das 
variáveis de processo, até a injeção de produtos químicos. Podemos citar como exemplo 
de ocorrência indesejável, as bactérias sulfato redutoras, freqüentemente encontradas no 
processamento do petróleo. 
 
5o ) Teste hidrostático 
 
 Após a inspeção do equipamento, o permutador é abastecido totalmente com 
água e em seguida, aumenta-se a pressão da água. O Permutador fica nesta situação 
durante algum tempo, onde é observada a queda de pressão, que pode indicar a presença 
de tubos furados. Os tubos furados devem ser plugueados e as demais anormalidades 
devem ser sanadas. Após o teste o equipamento deve ser montado e já pode ser 
colocado em operação novamente, para cumprir nova campanha.