TROCADORES DE CALOR CASCO-E-TUBO

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TROCADORES DE CALOR CASCO-E-TUBO
Capítulo 5
1
CASCO-E-TUBO
03/2017
Capítulo 5
5.1. Conceito
5.2. Estrutura
5.3. Componentes Mecânicos
2
5.4. Filosofia do Problema de Projeto
5.5. Considerações sobre o Projeto
5.6. Considerações sobre a Operação
5.7. Considerações sobre o Controle
5.8. Comportamento Termofluidonâmico
5.1. Conceito
Trocadores de calor casco-e-tubo
(Shell-and-tube heat exchangers)
Trocadores de calor casco-e-tubo são
3
Trocadores de calor casco-e-tubo sãoformados por um feixe de tubos por onde escoauma das correntes, inserido em um casco externo,de maneira que a outra corrente escoe no interiordo casco e externamente ao feixe de tubos.
5.1. Conceito
Devido à sua confiabilidade, robustez eversatilidade, é a alternativa de trocador de calormais utilizada nas indústrias de processos
4
mais utilizada nas indústrias de processosquímicos.
Este capítulo irá se concentrar em trocadoresde calor envolvendo serviços sem mudança de fase.
5.2. Estrutura
5Fonte: http://ocw.kfupm.edu.sa/user/ME43701...
5.2. Estrutura
6Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
5.2. Estrutura
7Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Tubos (tubes) –Feixe de tubos (tube bundle)
5.2. Estrutura
8Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Tubos (tubes) –Feixe de tubos (tube bundle)
9Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
Casco (shell)
5.2. Estrutura
10Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Casco (shell)
11Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
Espelhos (tubesheets)
5.2. Estrutura
12Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Espelhos (tubesheets)
13Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
Cabeçotes (heads)
5.2. Estrutura
14Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Cabeçotes (heads)
15Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
Chicanas (baffles)
5.2. Estrutura
16Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Chicanas (baffles)
17Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
Bocais (nozzles)
5.2. Estrutura
18Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Bocais (nozzles)
19Fonte: http://pvacad.com/index_EN.html
 Identificação TEMA:
5.2. Estrutura
Tamanho:
Diâmetro do casco – Comprimento do tubo
20
Diâmetro do casco – Comprimento do tubo
Exemplo:
489 mm – 3658 mm
19 ¼ in – 144 in
 Identificação TEMA:
5.2. Estrutura
Tipo:
Código representado por três letras
21
Código representado por três letras
Cabeçote dianteiro – Casco – Cabeçote Traseiro 
Exemplo:
AES, BFU, NEN, etc.
5.2. Estrutura
22
5.2. Estrutura
Exemplo:
23Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Exemplo:
24Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Exemplo:
25Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.2. Estrutura
Exemplo:
26Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
 Normas de construção:
5.3. Componentes Mecânicos
ASME Boiler and Pressure Vessel Code
Section VIII, Div. 1
- Normas mecânicas para vasos de pressão:
27
Section VIII, Div. 1
- Normas para trocadores de calor:TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)
- Normas para a indústria do refino:API 660
 Classes TEMA:
- Classe R:
Condições mais severas, típicas das indústrias 
5.3. Componentes Mecânicos
28
Condições mais severas, típicas das indústrias de petróleo e correlatas.
- Classe B:
Utilização em indústrias de processos químicos.
- Classe C:
Serviços moderados para aplicações gerais.
 Temperatura e pressão de operação:
A indicação da temperatura e pressão deoperação corresponde às condições operacionais
5.3. Componentes Mecânicos
29
operação corresponde às condições operacionaisnormais das correntes que escoam ao longo doequipamento.
 Temperatura e pressão de projeto:
As condições de projeto para a construçãodo trocador devem ser estabelecidas com uma
5.3. Componentes Mecânicos
30
do trocador devem ser estabelecidas com umadevida margem de segurança em relação aosmáximos valores alcançáveis (considerandotambém condições de partida, parada,emergências, etc).
- T e P de projeto no lado dos tubos
- T e P de projeto no lado do casco
 Temperatura e pressão de projeto:
Na literatura, há a sugestão de se utilizarcomo margem de segurança 25 ºF para a
5.3. Componentes Mecânicos
31
como margem de segurança 25 ºF para atemperatura e 25 psi para a pressão em relação aosvalores máximos alcançáveis durante a operação(Perry´s Chemical Engineers’ Handbook).
 Espelho fixo (fixed tubesheet):
5.3.1. Alternativas estruturais
Neste caso, os espelhos são soldados aocasco (TEMA L, M e N).
32Fonte:http://www.auroraindustrialmachining.com/heat-exchanger-types
 Espelho fixo:
5.3.1. Alternativas estruturais
Trocadores do tipo espelho fixo permitemlimpeza mecânica no interior dos tubos, porém só
33
limpeza mecânica no interior dos tubos, porém sóé possível efetuar a limpeza no exterior do tubosquimicamente, uma vez que o feixe de tubos nãopode ser retirado do interior do casco.
 Espelho fixo:
5.3.1. Alternativas estruturais
Os espelhos devem ser capazes de suportaras tensões mecânicas relativas a eventuais
34
as tensões mecânicas relativas a eventuaisdilatações diferenciais entre o casco e os tubos.Caso estas sejam excessivas, deve-se inserir umajunta de dilatação no casco.
 Espelho fixo:
5.3.1. Alternativas estruturais
Desconsiderando a presença de juntas dedilatação, esta alternativa envolve um menorcusto, em função da sua simplicidade de
35
custo, em função da sua simplicidade deconstrução. Adicionalmente, para um dadodiâmetro do casco, esta alternativa permiteacomodar uma maior quantidade de tubos.
Uma vez que o casco e os espelhos formamum invólucro, o risco de contaminação entrefluidos é reduzido.
 Tubo em U (U-tube):
5.3.1. Alternativas estruturais
Esta alternativa envolve a utilização detubos curvados em U (TEMA U).
36Fonte:http://www.auroraindustrialmachining.com/heat-exchanger-types
 Tubo em U (U-tube):
5.3.1. Alternativas estruturais
37Fonte:http://www.rexheatexchanger.com/u-tube-bundle-heat-exchangers.html
5.3.1. Alternativas estruturais
Trocadores do tipo tubo em U possibilitamque o feixe de tubos seja retirado de dentro do
 Tubo em U:
38
que o feixe de tubos seja retirado de dentro docasco, permitindo assim o acesso ao exterior dostubos para limpeza mecânica. Entretanto, acurvatura dos tubos (bend) dificulta a limpezamecânica no interior dos mesmos.
 Tubo em U:
5.3.1. Alternativas estruturais
Neste tipo de trocador, os tubos são fixadosa apenas um espelho, o que permite que estes
39
a apenas um espelho, o que permite que estespossam se dilatar sem impor tensões mecânicasem relação ao casco.
 Tubo em U:
5.3.1. Alternativas estruturais
A redução de custos em função da presençade um único espelho é compensada pelo aumentodos custos associados à curvatura dos tubos. Como
40
dos custos associados à curvatura dos tubos. Comoconseqüência, esta alternativa possui custocomparável ao espelho fixo. Adicionalmente, paraum dado diâmetro do casco, a alternativa de tubosem U acomoda um número de tubos um poucomenor que a alternativa de espelho fixo, devido àexistência de um raio de curvatura mínimo.
 Cabeçote flutuante (floating head):
5.3.1. Alternativas estruturais
Nesta alternativa, um dos espelhos é fixoem relação ao casco, enquanto o outro possuiliberdade de movimento (TEMA S, T, W e P).
41
liberdade de movimento (TEMA S, T, W e P).
Fonte:http://www.auroraindustrialmachining.com/heat-exchanger-types
5.3.1. Alternativas estruturais
Uma vez que um dos espelhospossuiliberdade de movimento, nesta configuração não
 Cabeçote flutuante:
42
liberdade de movimento, nesta configuração nãohá problemas de tensões associadas a diferençasna dilatação entre os tubo e o casco. Além destefato, esta estrutura permite que seja efetuadalimpeza mecânica em ambos os lados dos tubos.No entanto, devido à sua maior complexidademecânica, é a alternativa mais cara.
5.3.1. Alternativas estruturais
 Folgas feixe-casco:
43
5.3.1. Alternativas estruturais
 Folgas feixe-casco:
44
5.3.2. Tubos
Para tubos de trocadores de calor, o diâmetronominal corresponde ao diâmetro externo dostubos.
 Diâmetro (diameter):
45
tubos.
Em geral, os tubos utilizados em trocadoresde calor em indústrias de processos químicosenvolvem os seguintes diâmetros:
3/4 in, 1 in, 1 1/4 in, 1 1/2 in e 2 in
5.3.2. Tubos
A espessura dos tubos é freqüentementerepresentada por uma escala chamada BWG(Birmingham Wire Gauge):
 Espessura (thickness, thk):
46
(Birmingham Wire Gauge):
BWG Espessura (in)... ...16 0,06514 0,08312 0,109... ...
5.3.2. Tubos
Valores usuais:
Aço carbono: BWG 12 ou 14
 Espessura:
47
Aço carbono: BWG 12 ou 14
Aço inox ou aço liga: BWG 16 ou 18
Observação: O diâmetro interno do tubo é igual aodiâmetro externo menos duas vezes a espessura daparede.
5.3.2. Tubos
O conjunto padronizado de comprimentos detubos segue uma seqüência com incremento de 2 ft,
 Comprimento (length):
48
tubos segue uma seqüência com incremento de 2 ft,para tubos até 12 ft, e incremento de 4 ft, paracomprimentos entre 12 ft e 20 ft:
Comprimento (ft): 8 , 10 , 12 , 16 , 20
No caso de tubos em U, o comprimentonominal corresponde à distância entre aextremidade dos tubos e o plano de tangência à
5.3.2. Tubos
 Comprimento:
49
extremidade dos tubos e o plano de tangência àcurva.
Do ponto de vista da transferência de calor, ocomprimento efetivo dos tubos está associado à áreaexposta à transferência de calor entre as correntes.
 Comprimento efetivo:
5.3.2. Tubos
50
exposta à transferência de calor entre as correntes.
Basicamente corresponde ao comprimentonominal descontando-se a região inserida nointerior dos espelhos.
 Comprimento efetivo:
5.3.2. Tubos
51Fonte:http://www.lcec.com
O comprimento efetivo dos tubos éequivalente à distância entre as faces internas dosespelhos, i.e., a soma dos espaçamentos das
 Comprimento efetivo:
5.3.2. Tubos
52
espelhos, i.e., a soma dos espaçamentos daschicanas.
No caso de tubos em U, o comprimento efetivoé a distância entre a face interna do espelho e a retade tangência, somada a 0,3 do diâmetro do feixe(OTL), com o objetivo de levar em conta o trechoem curva dos tubos.
A espessura do espelho é basicamente umcálculo mecânico, embora possa ser estimada como
 Comprimento efetivo:
5.3.2. Tubos
53
cálculo mecânico, embora possa ser estimada como10% do diâmetro do casco, embora nunca inferior a25 mm.
Entre as técnicas de fixação dos tubos aoespelho destacam-se:
 Fixação dos tubos ao espelho:
5.3.2. Tubos
54
- Soldagem
- Mandrilamento
Embora a maioria dos trocadores casco-e-tubo seja construído com tubos lisos (plain),trocadores casco-e-tubo também podem ser aletados
Aletas:
5.3.2. Tubos
55
trocadores casco-e-tubo também podem ser aletados(low-fin):
Fonte:http://www.beca-engineering.com/LowFin.html
5.3.2. Tubos
Arranjo dos tubos (tube layout):
Os tubos podem estar organizados namatriz tubular de acordo com quatro padrões:
56
Triangular
30 º
Quadrado
90 º
5.3.2. Tubos
Arranjo dos tubos:
Os tubos podem estar organizados namatriz tubular de acordo com quatro padrões:
57
Triangular rodado
60 º
Quadrado rodado
45 º
5.3.2. Tubos
Arranjo dos tubos:
Triangular Quadrado
58
Maior h Menor h
Maior P Menor P
Acomoda mais tubos Acomoda menos tubos
Limpeza mais difícil Limpeza mais fácil
5.3.2. Tubos
Arranjo dos tubos:
Triangular rodado: similar ao triangular,porém menos efetivo para aplicações sem mudançade fase e por isto raramente utilizado.
59
de fase e por isto raramente utilizado.
Quadrado rodado: simular ao quadrado,preferível para escoamento com baixos número deReynolds (< 2000).
Observação: A princípio, em um projeto, o arranjo30º deve ser a primeira opção a ser considerada.
5.3.2. Tubos
 Passo dos tubos (tube pitch):
O passo dos tubos consiste na distância entreos centros de tubos adjacentes.
60
É comum o passo ser representado através darazão de passo (pitch ratio), definida como a razãoentre o passo e o diâmetro externo dos tubos (faixade variação: 1,25 a 1,50).
5.3.2. Tubos
 Passo dos tubos:
Em geral, no projeto de um trocador, deve-seoptar pela menor razão de passo possível, uma vezque torna-se possível acomodar mais tubos dentro
61
que torna-se possível acomodar mais tubos dentrode um determinado diâmetro de casco.
Para garantir espaço para limpeza mecânicano exterior dos tubos (arranjo 90º ou 45º) deve-seutilizar uma razão de passo que permita umadistância mínima de 1/4 in entre os tubos.
5.3.2. Tubos
 Passo dos tubos:
Em trocadores de calor onde a perda de cargano casco seja severamente limitada, pode-se optar
62
no casco seja severamente limitada, pode-se optarpor utilizar um valor maior de passo, aumentandoassim a área livre de escoamento e permitindo umaredução da queda de pressão.
5.3.2. Tubos
A área de troca térmica corresponde a áreaefetiva de todos os tubos do trocador:
 Área de troca térmica:
63
efetiva de todos os tubos do trocador:
DLNANA tttubott 
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
Para permitir maiores valores de velocidadede escoamento nos tubos, é comum a existência de
64
de escoamento nos tubos, é comum a existência demúltiplos passes.
Há trocadores com até 16 passes, mas ummáximo de até 8 passes é mais usual. Um númeroímpar de passes (exceto 1) é muito raro.
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
65Fonte:https://www.youtube.com/watch?v=LDF6gFKl7Gc
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
66Fonte:http://booksite.elsevier.com/9780750685245/additional_material.php
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
67Fonte:http://booksite.elsevier.com/9780750685245/additional_material.php
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
68Fonte:http://www.turbosquid.com/3d-models/3d-floating-head-heat-exchanger/997595
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
Divisão de passes nos cabeçotes:
Exemplo: 2 passes
69
Exemplo: 2 passes
Exemplo: 4 passes
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
Em um trocador com múltiplos passes onúmero total de tubos corresponde ao número detubos por passe vezes o número de passes nos tubos:
70
pttptt NNN 
Para o cálculo da velocidade de escoamento nointerior dos tubos, deve-se dividir a vazãovolumétrica pelo número de tubos por passe:
4/
/)/(
2ti
tpt D
Nmv 

5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
Exemplo:
Corrente de água 60 000 kg/h
71
Trocador 1-1 – Espelho fixo – Casco 13 1/4 in
Tubos de 3/4 in – BWG 16 – Passo 15/16 in – 30 º
Número total de tubos: 158 tubos
Velocidade de escoamento:
54,04/)00165,0201905,0(14,3
)158/()1000/67,16(
2 tv m/s
5.3.2. Tubos
Múltiplos passes:
Exemplo:
Corrente de água 60 000 kg/h
72
Trocador 1-2 – Espelho fixo – Casco 13 1/4 in
Tubos de 3/4 in – BWG 16 – Passo 15/16 in – 30 º
Número total de tubos: 146 tubos
Velocidade de escoamento:
17,14/)00165,0201905,0(14,3
)2/146/()1000/67,16(
2 tv m/s~ 2 x maior
5.3.2. Tubos
 Contagem dos tubos:
O número de tubos que pode ser acomodadoem um determinado diâmetro de casco depende deuma série de fatores:
73
uma série de fatores:
- Tipo de trocador- Diâmetro dos tubos- Arranjo da matriz tubular- Passo dos tubos- Número de passes nos tubos
5.3.2.Tubos
A informação sobre o número de tubos quepode ser acomodado em um determinado casco pode
 Contagem dos tubos:
74
pode ser acomodado em um determinado casco podeser encontrada em tabelas denominadas tabelas decontagem.
Observação: Contagem de tubos em U
5.3.2. Tubos
75
5.3.3. Chicanas
Em um trocador de calor, as chicanaspossuem duas funções básicas:
76
- Promover uma trajetória de escoamento dofluido no lado do casco transversal ao feixe detubos;
- Dar suporte aos tubos para evitar aocorrência de problemas relativos à vibração.
5.3.3. Chicanas
O tipo mais comum de chicana é denominadachicana segmentada simples (single segmental):
77
5.3.3. Chicanas
78Fonte:http://www.flickr.com/photos/btl/3966253993/lightbox/
5.3.3. Chicanas
79Fonte:http://www.wyomingwaterjet.com/waterjet.aspx
5.3.3. Chicanas
A janela da chicana (baffle window)corresponde à região por onde o fluido que escoa nocasco contorna a chicana.
80
5.3.3. Chicanas
 Orientação da chicana:
81
Chicana com corte vertical
(corte paralelo)
Chicana comcorte horizontal
(corte perpendicular)
5.3.3. Chicanas
 Orientação da chicana – Corte horizontal:
Em geral, para serviços sem mudança de faseem cascos do tipo E e J, recomenda-se o corte
82
em cascos do tipo E e J, recomenda-se o cortehorizontal, pois permite uma melhor distribuiçãode escoamento nas regiões de entrada e saída.
Adicionalmente, o corte horizontal evitamaiores valores das correntes de by-pass devido àomissão de tubos na região junto ao bocal deentrada.
5.3.3. Chicanas
 Orientação da chicana – Corte horizontal:
No caso de serviços com ebulição no lado do
83
No caso de serviços com ebulição no lado docasco, embora o corte vertical também sejaempregado, o corte horizontal tem a potencialvantagem de evitar a estratificação entre as fases.
5.3.3. Chicanas
 Orientação da chicana – Corte vertical:
O corte vertical permite uma melhor
84
O corte vertical permite uma melhordistribuição do escoamento em cascos do tipo F, Gou H.
5.3.3. Chicanas
 Orientação da chicana – Corte vertical:
Na condensação no lado do casco, o cortevertical facilita a drenagem de condensado ao
85
vertical facilita a drenagem de condensado aolongo do equipamento.
O corte vertical também é recomendado se acorrente no lado do casco for propensa ao acúmulode depósitos associado à material particulado emsuspensão.
5.3.3. Chicanas
O corte da chicana é a distância ao longo dodiâmetro relativa à janela da chicana.
 Corte da chicana (baffle cut):
86
5.3.3. Chicanas
O corte da chicana é usualmente representadocomo um fração do diâmetro do casco, variandoentre 15% e 45%.
 Corte da chicana:
87
entre 15% e 45%.
Valores muito grandes ou muito pequenos decorte levam a padrões de escoamento indesejados,prejudicando a transferência de calor, desta forma,para fluidos sem mudança de fase, é mais usual adefinição de cortes na faixa entre 20% e 35%.
5.3.3. Chicanas
 Corte da chicana:
Corte adequado
88
Corte insuficiente
Corte excessivo
5.3.3. Chicanas
 Corte da chicana:
Para garantir uma adequada distribuição doescoamento, recomenda-se que as velocidades no
89
escoamento, recomenda-se que as velocidades noescoamento entre as chicanas e na região das janelassejam equivalentes (diferença inferior a 20%).
5.3.3. Chicanas
 Corte da chicana:
Visando garantir uma boa distribuição deescoamento, a literatura recomenda relacionar ocorte da chicana com o espaçamento.
90
corte da chicana com o espaçamento.
Fonte: Heat Exchanger Design Handbook
SBC = Sem mudança de fase CV = Condensação
5.3.3. Chicanas
O espaçamento entre as chicanas correspondeà distância (centro-a-centro) entre as chicanas.
 Espaçamento entre as chicanas (baffle spacing):
91
Observação: Espaçamento central, entrada e saída
5.3.3. Chicanas
É um parâmetro importante noestabelecimento do desempenho de um trocador.
 Espaçamento entre as chicanas:
92
A diminuição do espaçamento das chicanasimplica em um aumento da velocidade do fluido queescoa no lado do casco, resultando em um aumentodo coeficiente de película e um aumento da perda decarga. O aumento do espaçamento da chicana leva aum efeito oposto.
5.3.3. Chicanas
- Limites inferiores (TEMA):
 Espaçamento entre as chicanas:
93
 20% do diâmetro do caso
 50 mm
5.3.3. Chicanas
- Limites superiores (TEMA):
Máxima distância entre chicanas (Lb,max)
 Espaçamento entre as chicanas:
94
Máxima distância entre chicanas (Lb,max)
Aço (carbono, inox, liga)
Diâmetro (in) 3/4 1 1 ¼ 1 ½ 2
Distância (m) 1524 1880 2235 2540 3175
Adicionalmente, recomenda-se que o espaçamentonão seja superior a 100% do diâmetro do casco.
5.3.3. Chicanas
- Limites superiores (TEMA):
Máxima distância entre chicanas (Lb,max)
 Espaçamento entre as chicanas:
95
Máxima distância entre chicanas (Lb,max)
Alumínio, cobre e titânio e suas ligas
Diâmetro (in) 3/4 1 1 ¼ 1 ½ 2
Distância (mm) 1321 1626 1930 2210 2794
Adicionalmente, recomenda-se que o espaçamentonão seja superior a 100% do diâmetro do casco.
5.3.3. Chicanas
Chicanas muito afastadas implicam emescoamento longitudinal ao longo do casco e
 Espaçamento entre as chicanas:
96
aumento do risco de vibração. Chicanas muitopróximas dificultam a limpeza e o adequadoescoamento do fluido através do feixe.
Os valores ótimos se situam entre 30% e 60%do diâmetro do casco.
5.3.3. Chicanas
A espessura das chicanas varia entre 1/16 in(1,59 mm) e 3/4 in (19,05 mm).
 Espessura das chicanas:
97
Seu valor aumenta com o espaçamento entreas chicanas e com o diâmetro do casco.
5.3.3. Chicanas
Folgas diametrais máximas chicana-casco:
Diâmetro interno do casco (in | mm) Folga (in | mm)
 Folgas:
98
Diâmetro interno do casco (in | mm) Folga (in | mm)6 – 17 | 152 – 432 1/8 | 3,218 – 39 | 457 – 991 3/16 | 4,840 – 54 | 1016 – 1372 1/4 | 6,455 – 69 | 1397 – 1753 5/16 | 7,970 – 84 | 778 – 2134 3/8 | 9,585 – 100 | 2159 – 2540 7/16 | 11,1
5.3.3. Chicanas
Folgas diametrais tubo-chicana recomendadas:
 Tubos  1 ¼
 Folgas:
99
 Tubos  1 ¼
Folga: 1/32 in | 0,8 mm para Lb,max  36 in | 914 mm
Folga: 1/64 in | 0,4 mm para Lb,max > 36 in | 914 mm
 Tubos > 1 ¼
Folga: 1/32 in | 0,8 mm
5.3.3. Chicanas
Observação: Outros tipos de chicanas
- Segmentadas duplas (double segmental)
100
- Segmentadas duplas (double segmental)
- Segmentadas triplas (triple segmental)
- Sem tubos na janela (NTIW)
5.3.3. Chicanas
101Fonte: Bouhairie (2012)
5.3.3. Chicanas
Segmentadas duplas
102
Segmentadas triplas
Fonte: Bouhairie (2012)
5.3.3. Chicanas
Segmentadas duplas
103
Fontes:
http://www.peerlessmfg.com/heat-exchangers.html
5.3.4. Casco
O diâmetro nominal do casco corresponde aoseu diâmetro interno arredondado para o diâmetroem polegadas mais próximo.
104
em polegadas mais próximo.
5.3.4. Casco
Em geral para diâmetros até 24 in, sãoconstruídos a partir de tubos (pipe), e para valoresmaiores, utilizando chapas calandradas
105
Fontes:
http://www.romaqmaquinas.com.br/servicos.php
5.3.4. Casco
O casco tipo E é o mais empregado emserviços sem mudança de fase.
O casco tipo F é utilizado quando é necessário
106
O casco tipo F é utilizado quando é necessáriomais de um passe para a corrente que escoa no ladodo casco (usualmente limitado a 2 passes). Devido arestrições no uso de chicanas longitudinais, possuiemprego mais restrito.
Os cascos tipo G, H, J, K e X sãonormalmente utilizados para serviços com mudançade fase.
5.3.5. Cabeçotes
TEMA A e L (channel)Tampo removível TEMA B e M (bonnet)Tampo integral“Boleado”
107
5.3.5. Cabeçotes
TEMA A e L (channel)Tampo removível TEMA B e M (bonnet)Tampointegral“Boleado”
108
Fonte:
https://tr1043812086.trustpass.alibaba.com/product/50008752328-0/50M2_HEAT_EXCHANGER.htmlhttp://www.metropolitanind.com/blog/2013/05/06/custom-heat-exchanger-supplied-to-local-college/
5.3.6. Outros elementos construtivos
109Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Quebra jato (impingement plate)
5.3.6. Outros elementos construtivos
110
Quebra jato (impingement plate)Fonte:http://www.cmsheattransfer.com/heat-exchanger-design-impingement.asp
5.3.6. Outros elementos construtivos
111Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Chicana longitudinal (longitudinal baffle)
5.3.6. Outros elementos construtivos
112
Chicana longitudinal (longitudinal baffle)Fonte:http://m.blog.naver.com/pineguy/30131741312
5.3.6. Outros elementos construtivos
113Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Tirantes (tie rods) e espaçadores (spacers) 
5.3.6. Outros elementos construtivos
114Fonte:http://booksite.elsevier.com/9780750685245/additional_material.php
Tirantes (tie rods) e espaçadores (spacers) 
5.3.6. Outros elementos construtivos
115
Tirantes (tie rods) e espaçadores (spacers) Fonte:http://red-bag.com/design-standards/406-bn-ds-t03-typical-detail-bundle-tierod-with-spacers.html
5.3.6. Outros elementos construtivos
116Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Junta de dilatação (expansion joint)
5.3.6. Outros elementos construtivos
117
Junta de dilatação (expansion joint)Fonte:http://www.thermodm.com/engineering-2/
5.3.6. Outros elementos construtivos
118Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Tampo do casco (shell cover)
5.3.6. Outros elementos construtivos
119
Tampo do casco (shell cover)Fonte:http://booksite.elsevier.com/9780750685245/additional_material.php
5.3.6. Outros elementos construtivos
120
Divisor de passes (pass partition plate)
Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
5.3.6. Outros elementos construtivos
121
Divisor de passes (pass partition plate)Fonte:http://plastocor.com/wordpress/balance-of-plant-heat-exchangers/
5.3.6. Outros elementos construtivos
122Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Tampo do carretel (channel cover)
5.3.6. Outros elementos construtivos
123
Tampo do carretel (channel cover)Fonte:http://www.yulacorp.com/om_industrial.htm
5.3.6. Outros elementos construtivos
124Fonte: Perry´s Chemical Engineers’ Handbook
Tampo do cabeçote flutuante (floating head cover)
5.3.6. Outros elementos construtivos
125
Tampo do cabeçote flutuante (floating head cover)Fonte:http://www.turbosquid.com/3d-models/3d-floating-head-heat-exchanger/997595
5.3.7. Desenho mecânico
126Fonte:http://pvacad.com/index_EN.html
5.3.7. Desenho mecânico
127Fonte:http://pvacad.com/index_EN.html
5.3.7. Desenho mecânico
128Fonte:http://pvacad.com/index_EN.html
5.3.7. Desenho mecânico
129Fonte:http://pvacad.com/index_EN.html
5.3.7. Desenho mecânico
130Fonte:http://www.rafeec.com
5.3.7. Desenho mecânico
131Fonte:http://www.rafeec.com
5.4. Filosofia do Problema de Projeto
O projeto de um trocador de calor deve sercapaz de realizar o serviço térmico propostolevando em conta, de forma conjugada, uma série
132
levando em conta, de forma conjugada, uma sériede aspectos adicionais relativos à integridadeestrutural, manutenção, operação, custos, etc.
 Objetivo:
Atingir uma determinada carga térmica de
5.4.1. Serviço
133
Atingir uma determinada carga térmica deacordo com as quedas de pressão disponíveis paraas correntes.
- Manutenção (deposição)
- Operação (e.g. equipamentos em paralelo)
- Custos (redução de custos, custo da falha)
5.4.2. Aspectos adicionais
134
- Custos (redução de custos, custo da falha)
- Restrições físicas (espaço, peso, etc.)
- Componentes mecânicos (padronização)
- Integridade estrutural (tensões mecânicas,seleção de materiais, corrosão, vibração e erosão)
Acurácia dos modelos
As correlações envolvidas no cálculo dos
5.4.3. Incertezas
135
As correlações envolvidas no cálculo doscoeficientes de transferência convectiva de calorestão associadas a um certo grau de erro (é usual,mesmo nas modernas correlações, imprecisões nãomuito inferiores a 10% para escoamentoturbulento).
 Propriedades físicas
A avaliação das propriedades físicas das
5.4.3. Incertezas
136
A avaliação das propriedades físicas dascorrentes (, Cp,  e k) é uma outra fonte potencialde incerteza durante o projeto.
 Dados de processo
Os dados de processo referentes às correntes
5.4.3. Incertezas
137
Os dados de processo referentes às correntesque irão participar da troca térmica também estãosujeitos a variações.
 Excesso de área
Em função das incertezas mencionadas,
5.4.3. Incertezas
138
Em função das incertezas mencionadas,trocadores de calor devem ser construídos com umexcesso de área correspondente a uma margem desegurança adequada.
Determinação dos principais parâmetrosconstrutivos do equipamento:
- Natureza do casco e cabeçotes;
- Alocação das correntes (tubo x casco);
5.4.4. Escopo do projeto
139
- Alocação das correntes (tubo x casco);
- Diâmetro e comprimento dos tubos;
- Passo e arranjo dos tubos no feixe;
- Número de passes nos tubos e no casco;
- Tipo, corte e espaçamento das chicanas;
- Número de cascos em série/paralelo;
- Número total de tubos e diâmetro do casco.
Potenciais responsáveis pelo projetotérmico do equipamento:
- Um engenheiro da empresa que iráadquirir o equipamento;
5.4.4. Escopo do projeto
140
adquirir o equipamento;
- Um engenheiro de uma empresa deengenharia contratada;
- Um engenheiro do fornecedor doequipamento.
5.4.5. Procedimento de projeto
O procedimento clássico de projeto de umtrocador de calor é baseado em um processo detentativa-e-erro envolvendo a avaliação pelo
141
tentativa-e-erro envolvendo a avaliação peloprojetista de uma seqüência de alternativas nadireção da solução.
A seguir são apresentadas, em linhas gerais,as principais etapas do procedimento de projeto.
1) Identificação do problema
Esta etapa inicial consiste na caracterizaçãodo serviço a ser realizado de acordo com anatureza do projeto de processo.
5.4.5. Procedimento de projeto
142
natureza do projeto de processo.
Neste caso, devem ser coletadas informaçõessobre as correntes: vazão, temperatura, pressão,composição, propriedades termofluidodinâmicas,ΔP disponível, incrustação, curvas de aquecimento/ resfriamento (T x H, especialmente importantesno caso de serviços com mudança de fase), etc.
2) Seleção de um tipo de trocador de calor
Considerando a natureza do serviço térmico,
5.4.5. Procedimento de projeto
143
Considerando a natureza do serviço térmico,deve ser identificada a opção de trocador de calormais adequada: casco-e-tubo, bitubular, placas.etc.
3) Proposição de um trocador tentativa
A partir das informações coletadas sobre oproblema, deve-se identificar uma proposta inicial
5.4.5. Procedimento de projeto
144
problema, deve-se identificar uma proposta inicialde projeto (“trocador tentativa”) capaz de realizaro serviço.
Esta etapa envolve a experiência anterior doengenheiro responsável pelo projeto, possivelmenteassociada a rápidos cálculos manuais utilizando asequações básicas de projeto.
4) Avaliação da proposta de projeto
Esta etapa consiste na avaliaçãotermofluidodinâmica do trocador de calor,
5.4.5. Procedimento de projeto
145
termofluidodinâmica do trocador de calor,determinando-se a área requerida e as quedas depressão correspondentes.
Em geral, esta etapa usualmente envolve autilização de um software para cálculo detrocadores de calor (e.g. HTRI, Aspen Shell &Tube Exchanger, etc.).
5) Verificação do projeto
A partir dos valores obtidospara a árearequerida (Areq) e as quedas de pressão (Ph e Pc),
5.4.5. Procedimento de projeto
146
requerida (Areq) e as quedas de pressão (Ph e Pc),deve-se verificar se:
onde Aexc corresponde ao excesso de área mínimo.
Em caso afirmativo, procede-se para a Etapa7, caso contrário, segue para a Etapa 6.
disphh PP  dispcc PP min/)( excreqreq AAAA 
6) Modificação da proposta de projeto
Analisando-se o resultado da avaliaçãotermofluidodinâmica do trocador, devem ser
5.4.5. Procedimento de projeto
147
termofluidodinâmica do trocador, devem serintroduzidas alterações no projeto na direção deuma alternativa viável (por exemplo, em umtrocador de calor casco-e-tubo, se a queda depressão no lado do casco for excessiva, pode-setentar aumentar o espaçamento das chicanas).
Após esta etapa, retorna-se então para aEtapa 4.
7) Finalização do projeto
Após a consolidação do projetotermofluidodinâmico, seguem-se às demais etapas:
5.4.5. Procedimento de projeto
148
termofluidodinâmico, seguem-se às demais etapas:seleção de materiais, envio para os fornecedores dafolha de dados, comparação de custos, projetomecânico, construção, inspeção, transporte einstalação.
 Observações: Queda de pressão
Um aspecto importante na caracterizaçãodo problema de projeto envolve o estabelecimento
5.4.5. Procedimento de projeto
149
do problema de projeto envolve o estabelecimentoda queda de pressão disponível para as correntes.
Conceitualmente, este aspecto envolve umtrade-off entre os custos operacionais e oinvestimento associado às bombas / compressorescontra o investimento na construção doequipamento térmico.
Valores típicos:
5.4.5. Procedimento de projeto
 Observações: Queda de pressão
150
- Líquidos:
Pdisp entre 0,5 kgf/cm2 e 0,7 kgf/cm2
- Gases:Pdisp entre 0,05 kgf/cm2 e 0,2 kgf/cm2
Uma vez que maiores velocidades estãoassociadas a maiores valores de coeficientes de
5.4.5. Procedimento de projeto
 Observações: Queda de pressão
151
associadas a maiores valores de coeficientes detransferência, é interessante explorar toda aqueda de pressão disponível de forma a reduzir aárea de troca térmica necessária.
5.5. Considerações sobre o Projeto
O projeto de um trocador de calor casco-e-tubo implica em uma série de decisões por partedo projetista de forma a alcançar uma proposta
152
do projetista de forma a alcançar uma propostapara execução do serviço confiável e de baixocusto.
Neste processo, há vários aspectos quedevem ser considerados, tais como, limitaçõesmecânicas e térmicas, eficiência operacional, etc.
A seleção da corrente que deve escoar nolado dos tubos e da corrente que deve escoar no
5.5.1. Alocação dos fluidos
153
lado dos tubos e da corrente que deve escoar nolado do casco deve levar em conta uma série defatores (eventualmente conflitantes entre si).
 Pressão e Temperatura:
Correntes com altas pressões e/outemperaturas devem ser alocadas nos tubos,evitando-se assim a necessidade de cascos de
5.5.1. Alocação dos fluidos
154
evitando-se assim a necessidade de cascos demaiores espessuras e/ou de materiais especiais.
 Natureza dos fluidos:
Fluidos quimicamente agressivos devemescoar no lado dos tubos, evitando-se assim autilização de materiais especiais (e caros) para aconstrução do casco.
5.5.1. Alocação dos fluidos
 Deposição:
Se um fluido pode apresentar maioresproblemas de deposição, este deve escoar nostubos, pois permite uma mais fácil limpeza, não háproblemas de espaços mortos como no escoamento
155
problemas de espaços mortos como no escoamentono casco e através de múltiplos passes é mais fácilgarantir maiores velocidades.
Vazão:
Em várias situações, a alocação do fluidocom menor vazão no lado do casco possibilita umaumento do coeficiente global de transferência decalor.
 Viscosidade:
Se um dos fluidos é muito viscoso, este deveser colocado no casco uma vez que a passagem doescoamento através do feixe de tubos irá permitir
5.5.1. Alocação dos fluidos
156
escoamento através do feixe de tubos irá permitiruma maior transferência de calor.
No entanto, caso o regime de escoamentoverificado seja laminar, a corrente viscosa deve sertransferida para o lado dos tubos.
Em geral, a busca por uma menor área detroca térmica implica em projetos utilizando
5.5.2. Relação comprimento / diâmetro
157
troca térmica implica em projetos utilizandocomprimento de tubos maiores e diâmetros decasco menores.
Para que o trocador de calor sejamecanicamente viável e não ocorram problemas dedistribuição de escoamento, são estabelecidos
5.5.2. Relação comprimento / diâmetro
158
limites em relação à razão entre o seucomprimento (representado pelo comprimento dostubos) e o diâmetro (representado pelo diâmetrodo casco):
3 a 15
A velocidade de escoamento das correntes nointerior do trocador não pode ser excessivamentebaixa, evitando-se problemas de deposição, ou
5.5.3. Limites de velocidade
159
baixa, evitando-se problemas de deposição, ouexcessivamente alta, evitando-se danos àssuperfícies metálicas por erosão ou vibração doscomponentes mecânicos.
Valores recomendados – Escoamento nos tubos :
(Sinnot, 1986)
- Líquidos: 1,0 m/s a 3,0 m/s
5.5.3. Limites de velocidade
160
- Líquidos: 1,0 m/s a 3,0 m/s
- Gases (vácuo): 50 m/s a 70 m/s
- Gases (P atmosférica): 10 m/s a 30 m/s
- Gases (altas pressões): 5 m/s a 10 m/s
Valores recomendados – Escoamento no casco :
(Smith, 2005)
- Líquidos: 0,5 m/s a 2,0 m/s
5.5.3. Limites de velocidade
161
- Líquidos: 0,5 m/s a 2,0 m/s
- Gases: 5 a 70 m/s
Observação: No caso do escoamento de gases,quanto maior a massa específica, menor será olimite de velocidade máxima.
Em função da considerável variação daqueda de pressão nos tubos em função do númerode passes, na avaliação do projeto de um trocador
5.5.3. Limites de velocidade
162
de passes, na avaliação do projeto de um trocadorpode ocorrer que uma configuração 1-2 possuavelocidades muito baixas porém passando parauma configuração 1-4, a queda de pressãoultrapasse o valor disponível. Neste caso, pode sernecessário adotar a alternativa 1-2, aceitando osbaixos valores de velocidade.
Considerando a relação entre astemperaturas de entrada e saída dos fluidos quentee frio em um determinado serviço, observam-se osseguintes padrões:
5.5.4. Diferença de temperatura
163
seguintes padrões:
ocoh TT ,,  aproximação (temperature approach)
ocoh TT ,,  encontro (temperature meet)
ocoh TT ,,  interseção (temperature cross)
- Configuração contracorrente: pode serutilizada nas três situações apresentadas.
5.5.4. Diferença de temperatura
164
- Configuração cocorrente: pode ser utilizadaapenas quando há aproximação.
- Configuração com múltiplos passes nostubos e um passe no casco (1-2, 1-4, etc.): aexistência da interseção de temperaturas prejudicasensivelmente o desempenho do equipamento
5.5.4. Diferença de temperatura
165
sensivelmente o desempenho do equipamento(adota-se como regra que o fator de correção Fdeve ser superior a 0,75). Neste contexto, se houveruma interseção de temperaturas mais significativa,a utilização de um único equipamento deste tipotorna-se inviável.
Desta maneira, na presença de significativainterseção de temperaturas, o projetista deveavaliar as seguintes alternativas:
- Utilização de uma configuração
5.5.4. Diferença de temperatura
166
- Utilização de uma configuraçãocontracorrente do tipo 1-1, ou mesmo, 2-2;
- Utilização de uma configuração commúltiplos passes no casco do tipo 2-4;
- Separação do serviço em dois ou maiscascos com múltiplos passes em série.
Configuração contracorrente: F = 1
5.5.4. Diferença de temperatura
1/1
Tci
ThiTho
167
1/1
Tco
Tci
Thi
Tho
Tco
2/2
5.5.4. Diferença de temperatura
Exemplo:
168Fonte:http://www.wermac.org/equipment/heatexchanger_part5.html
Configuração com múltiplos passes no casco:
5.5.4. Diferença de temperatura
F1/2 < F2/4 < F3/6 < ...
169
Tco
Tci
Thi
Tho
2/4
Unidades com N cascos 1-2 em série:
5.5.4. Diferença de temperatura
2 trocadores 1/2 = 1 trocador 2/43 trocadores 1/2 = 1 trocador 3/6...
170
Tci
Tho Tco
Thi
...
Exemplo:
5.5.4. Diferença de temperatura
171Fonte: http://www.wermac.org/equipment/heatexchanger_part5.html
Exemplo:
5.5.4. Diferença de temperatura
172Fonte:http://booksite.elsevier.com/9780750685245/additional_material.php
Determinação de F para múltiplos cascos 1/2:
Utilizar a expressão de cálculo de F para aconfiguração 1/2, substituindo o grupo P por:
5.5.4. Diferença de temperatura
173
RP
RP
P
RP
P N
NN
NN
N
NN
NN












/1
2
2
/1
2
2
1
1
11
1
p/ R  1
Determinação de F para múltiplos cascos 1/2:
Utilizar a expressão de cálculo de F para aconfiguração 1/2, substituindo o grupo P por:
5.5.4. Diferença de temperatura
174
NNPP
PP
NNNN
NN    22 2 p/ R = 1
Determinação de  para múltiplos cascos 1/2:
Expressão válida para N passes no casco e 2Npasses nos tubos, onde 1 corresponde ao valor da
5.5.4. Diferença de temperatura
175
1efetividade da configuração 1/2 calculada comNUT/N:      NRNR
NNR CC
C
)1(1
11
11
11    
p/ CR  1
Determinação de  para múltiplos cascos 1/2:
Expressão válida para N passes no casco e 2Npasses nos tubos, onde 1 corresponde ao valor da
5.5.4. Diferença de temperatura
176
1efetividade da configuração 1/2 calculada comNUT/N:
1
1 )1(1   NN
p/ CR = 1
Estimativa do número de cascos em série:
Como, o aumento do número de cascos iráencarecer o equipamento, para avaliação do número
5.5.4. Diferença de temperatura
177
encarecer o equipamento, para avaliação do númeromínimo necessário, realiza-se a determinação de Fconsiderando-se um número crescente de cascos atéque F > 0,75.
O estabelecimento do excesso de área noprojeto é importante para garantir que oequipamento será capaz de executar o serviço paraqual foi projetado.
5.5.5. Excesso de área
178
qual foi projetado.
Entretanto, valores de excesso de área muitoelevados podem implicar em problemas, tais como:custo desnecessariamente elevado do equipamento,problemas operacionais no início da campanha,baixas velocidades do fluido de serviço, etc.
Utilizando-se as modernas correlações para adeterminação dos valores de coeficientes deconvecção, pode-se considerar como adequado umexcesso de área de 10% a 15%.
5.5.5. Excesso de área
179
excesso de área de 10% a 15%.
Alternativamente, alguns projetistaspreferem inserir o excesso de área através dacorreção das vazões, sendo estas tambémacrescidas em torno de 10%.
Durante o projeto, deve-se estar atento paraproblemas de vibração. Estes problemas podemdanificar o equipamento de diferentes formas, tais
5.5.6. Problemas de vibração
180
danificar o equipamento de diferentes formas, taiscomo, choque entre tubos, choques entre tubos echicanas e fragilização da fixação do tubo aoespelho.
O dimensionamento dos bocais pode levarem conta o diâmetro da linha (preferencialmente odiâmetro do bocal deve ser equivalente ao diâmetroda linha) e as limitações em relação à queda de
5.5.7. Bocais
181
da linha) e as limitações em relação à queda depressão (recomenda-se que esta não ultrapasse20% da queda de pressão disponível).
No caso dos bocais localizados no lado docasco, deve-se estar especialmente atento aeventuais problemas de erosão e vibração.
Visando evitar estes problemas, os limitesestabelecidos pela TEMA para o dimensionamentodos bocais no lado do casco são:
- Correntes monofásicas não abrasivas:
5.5.7. Bocais
182
- Correntes monofásicas não abrasivas:
- Correntes líquidas saturadas ou abrasivas:
22 s m / kg 2232nsv
22 s m / kg 744nsvObservação: Na presença de quebra-jatos, esteslimites podem ser duplicados.
Nas situações a seguir, a utilização de quebra-jato é mandatória:
- Vapor saturado
5.5.7. Bocais
183
- Vapor saturado
- Correntes bifásicas
- Gás com partículas abrasivas
A instalação de quebra-jatos também érecomendada nas seguintes situações: correntesbifásicas, correntes de vapor com gotas de líquido
5.5.7. Bocais
184
bifásicas, correntes de vapor com gotas de líquido(“entrained”) e correntes de gás com partículasabrasivas.
Durante o procedimento de projeto de umtrocador, são avaliadas várias alternativas nadireção de uma proposta viável para a execução do
5.5.8. Alterações do projeto
185
direção de uma proposta viável para a execução doserviço desejado.
Neste sentido, há uma série de intervençõesque devem ser realizadas em função dos resultadosintermediários obtidos na busca pela solução.
 Transferência de calor limitada pelo fluido queescoa nos tubos – Intervenções possíveis:
- Aumentar o número de passes nos tubos;
5.5.8. Alterações do projeto
186
- Aumentar o número de passes nos tubos;
- Aumentar o comprimento dos tubos e, se for ocaso, reduzindo também o diâmetro do casco;
- Aumentar o número de tubos através doaumento do casco.
 Transferência de calor limitada pelo fluido queescoa no casco – Intervenções possíveis:
- Reduzir o espaçamento das chicanas;
5.5.8. Alterações do projeto
187
- Reduzir o espaçamento das chicanas;
- Aumentar o comprimento dos tubos e, se for ocaso, reduzindo também o diâmetro do casco;
- Aumentar o número de tubos através doaumento do casco.
 Perda de carga limitada pelo fluido que escoanos tubos – Intervenções possíveis:
- Reduzir o número de passes nos tubos;
5.5.8. Alterações do projeto
188
- Reduzir o número de passes nos tubos;
- Reduzir o comprimento dos tubos;
- Aumentar o número de tubos através doaumento do diâmetro do casco e, se for o caso,reduzindo também o comprimento dos tubos;
- Aumentar o diâmetro dos tubos.
 Perda de carga limitada pelo fluido que escoano casco – Intervenções possíveis:
- Aumentar o espaçamento das chicanas;
5.5.8. Alterações do projeto
189
- Aumentar o espaçamento das chicanas;
- Reduzir o comprimento dos tubos;
- Aumentar o diâmetro do casco e, se for o caso,reduzindo o comprimento dos tubos;
- Alterar o arranjo dos tubos para 90º;
- Aumentar o passo dos tubos;
- Utilizar chicanas segmentadas duplas.
5.6. Considerações sobre a Operação
Um trocador de calor pode sofrerproblemas operacionais que irão prejudicar odesempenho do equipamento.
190
desempenho do equipamento.
Uma vez que a perda de performance doequipamento seja identificada, a equipe deoperação deve tomar as medidas corretivas pararestaurar a capacidade operacional doequipamento.
5.6.1. Problemas operacionais típicos
As principais razões para o baixodesempenho de trocadores de calor são:
- Presença excessiva de depósitos;
191
- Presença excessiva de depósitos;
- Retenção de ar ou vapores;
- Problemas de distribuição de escoamento;
As principais razões para o baixodesempenho de trocadores de calor são:
- Condições operacionais distintas daquelas do
5.6.1. Problemas operacionais típicos
192
- Condições operacionais distintas daquelas doprojeto;
- Aumento dos espaçamentos e folgas no cascodevido à corrosão;
- Erro no projeto térmico;
5.6.2. Manutenção
Registro de problemas típicos:
Pesquisa realizada pela Chevron em um total de332 incidentes que implicaram em perda deprodução (Stewart e Lewis, 2013):
193
produção (Stewart e Lewis, 2013):
- Vazamento nos tubos: 155
- Deposição: 93
- Vazamentos em gaxetas ou flanges: 32
- Corrosão: 22
- Outros: 30
5.6.2. Manutenção
A presença de linhas de by-pass pode serútilpara viabilizar a manutenção do equipamento semque seja necessário interromper a operação de
194
que seja necessário interromper a operação detoda a unidade de processo onde o equipamentoestá presente.
Para a localização de furos nos tubos, tubosrompidos ou vazamentos entre os tubos e oespelho, um procedimento comum envolve a
5.6.2. Manutenção
195
espelho, um procedimento comum envolve apressurização do casco com água e a posteriorverificação do ponto de vazamento.
Nos casos de trocadores com espelho fixo oucabeçote flutuante pode-se tentar substituir o tubodanificado.
5.6.2. Manutenção
196
danificado.
Outra alternativa que pode ser adotada paracorrigir o problema envolve o bloqueio do tubo dotrocador (“pluguear”).
5.6.2. Manutenção
197Fonte:http://booksite.elsevier.com/9780750685245/additional_material.php
As discussões de manutenção relativas àlimpeza de trocadores de calor serão abordadas nocapítulo deste curso destinado à deposição.
5.6.2. Manutenção
198
capítulo deste curso destinado à deposição.
5.7. Considerações sobre o Controle
Durante a operação, um trocador de calorpode sofrer perturbações externas que podemalterar os valores das temperaturas de saída dascorrentes de processo.
199
correntes de processo.
Uma vez que estas alterações podem serprejudiciais ao processo, estes equipamentos sãomuitas vezes dotados de sistemas que visamcompensar automaticamente estas perturbações,garantindo assim a operação de acordo com oponto operacional desejado.
5.7.1. Controle de Processos
O estudo de sistemas de intervençãoautomática em um processo, visando garantir asua operação dentro dos valores desejados
200
sua operação dentro dos valores desejadoscorresponde a uma área da engenharia químicachamada controle de processos.
5.7.2. Conceitos básicos
 Variável controlada:
Variável que se deseja manter em umdeterminado valor ideal (set-point).
201
determinado valor ideal (set-point).
 Variável manipulada:Variável que irá ser alterada de forma amanter a variável controlada em seu valor de set-point.
5.7.2. Conceitos básicos
Malha de controle típica (feedback):
Perturbação
Elemento final SP
202
Elemento final de controle ProcessoControlador
SP
Sensor/Transmissor
5.7.3. Estratégias de controle
Durante o projeto de processo devem serestabelecidas quais são as variáveis a seremcontroladas e quais são as variáveis a serem
203
controladas e quais são as variáveis a seremmanipuladas.
Com este objetivo, é fundamental umaadequada compreensão do comportamento dosequipamentos envolvidos.
5.7.3. Estratégias de controle
Equipamento:
Resfriador com água de resfriamento
 Resfriadores:
204
Resfriador com água de resfriamento
Abordagem:
Controle da temperatura de saída dacorrente quente através da manipulação da vazãode água resfriamento.
AR Resfriadores:
5.7.3. Estratégias de controle
205
TC
Observação:
A manipulação da vazão de água no trocador
5.7.3. Estratégias de controle
 Resfriadores:
206
pode implicar em baixas velocidades deescoamento, o que favorece a deposição.
Uma alternativa a esta opção corresponde aocontrole de um by-pass da corrente de processo, talcomo ilustrado no caso de um trocador entrecorrentes de processo.
Equipamento:
Aquecedor com vapor saturado
Aquecedores:
5.7.3. Estratégias de controle
207
Aquecedor com vapor saturado
Abordagem:
Controle da temperatura de saída dacorrente fria através da manipulação da pressãodo vapor associada à retirada de condensadoatravés de um purgador.
Vapor
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
208
TC
Condensado
Purgador
Observação:
Um purgador é um dispositivo que permite a
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
209
Um purgador é um dispositivo que permite aliberação do condensado formado, porém bloqueiaa passagem do vapor.
A utilização de um purgador é umaalternativa barata e normalmente adotada parabaixas vazões de vapor (< 1 t/h).
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
210Fonte: http://www.carbonlighthouse.com/2011/08/steam-traps/
Purgador mecânico
Fonte: http://www.tlv.com
Observação:
Esta proposta de controle também pode ser
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
211
Esta proposta de controle também pode serbaseada em uma malha de controle em cascata.
Vapor FC
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
212
TC
Condensado
Purgador
A utilização de um pote de selagem ao invésde um purgador é uma alternativa mais cara,
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
213
de um purgador é uma alternativa mais cara,porém fornece uma solução mais robusta, evitandoo acúmulo de condensado.
TC
Vapor
Aquecedores:
5.7.3. Estratégias de controle
214
TC
Condensado
LCPote de selagem
Equipamento:
Aquecedor com vapor saturado
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
215
Aquecedor com vapor saturado
Abordagem:
Controle da temperatura de saída dacorrente fria através da manipulação do nível decondensado no interior do trocador.
TC
Vapor
PC
5.7.3. Estratégias de controle
Aquecedores:
216
TC
Condensado
LCPote de selagem
Observação:
Esta alternativa apresenta vantagens em
Aquecedores:
5.7.3. Estratégias de controle
217
Esta alternativa apresenta vantagens emdeterminadas situações, e.g., mantém a pressão dovapor no interior do trocador constante (evitandoassim problemas no retorno do condensado), evitaproblemas de rangeabilidade em relação à válvulade controle de admissão de vapor, etc.
Equipamento:
Trocador entre correntes de processo
5.7.3. Estratégias de controle
 Trocador de calor:
218
Trocador entre correntes de processo
Abordagem:
Controle da temperatura de saída dacorrente quente através da manipulação da vazãode um bypass da corrente de processo
 Trocador de calor:
5.7.3. Estratégias de controle
219
TC
Observação:
Esta estrutura de controle apresenta certas
 Trocador de calor:
5.7.3. Estratégias de controle
220
Esta estrutura de controle apresenta certasrestrições devido às incertezas envolvidas nodimensionamento da válvula de controle do desvio,o que pode levar a situações onde a válvula estátotalmente aberta e ainda assim a temperaturadesejada não é alcançada.
Uma alternativa para contornar osproblemas mencionados consiste na utilização
 Trocador de calor:
5.7.3. Estratégias de controle
221
problemas mencionados consiste na utilizaçãosimultânea de duas válvulas de controle.
Duas válvulas de controle
 Trocador de calor:
5.7.3. Estratégias de controle
222
TC
de controle
Observação:
 Trocador de calor:
5.7.3. Estratégias de controle
223
A utilização de duas válvulas de duas viaspode ser particularmente necessária emdeterminados casos, tais como vazões muitodistintas no trocador e no by-pass, serviços comalta temperaturas ou pressões, etc.
5.8. Comportamento Termofluidodinâmico
Os cálculos termofluidodinâmicos detrocadores de calor casco-e-tubos envolvem aavaliação da transferência de calor e da perda de
224
avaliação da transferência de calor e da perda decarga relativas ao escoamento no interior dos tubose no interior do casco.
 Coeficiente de convecção:
5.8.1. Tubos
O cálculo do coeficiente de convecção nolado dos tubos envolve os modelos e correlações
225
lado dos tubos envolve os modelos e correlaçõesdisponíveis para o escoamento no interior detubos cilíndricos.
Neste caso, deve-se estar atento para ocálculo da velocidade em trocadores de calor commúltiplos passes.
Regime laminar:
 Coeficiente de convecção:Condições plenamente desenvolvidasSolução das equações de conservação:
5.8.1. Tubos
226
- parede com T constante66,3Nu
Solução das equações de conservação:Regime laminar:
 Coeficiente de convecção:Comprimento de entrada combinadoCorrelação de Sieder e Tate:
5.8.1. Tubos
227
14,03/1
/
PrRe86,1 




wDLNu 

Validade: 5Pr60,0  75,9/0044,0  wparede com T constante
Correlação de Sieder e Tate:
Regime laminar:
 Coeficiente de convecção:Comprimento de entrada térmicaCorrelação de Hausen:
5.8.1. Tubos
228
  3/2PrRe)/(04,01 PrRe)/(0668,066,3 DDLD LDNu 
Validade: 5Pr parede com T constante
Correlação de Hausen:
Regime laminar:
 Coeficiente de convecção:
Se Pr > 5  Correlação de Hausen
5.8.1. Tubos
229
Se Pr > 5  Correlação de Hausen
Se Pr < 5  Correlação de Sieder & Tate
Mas, se Nu < 3,66, adotar Nu = 3,66
Regime turbulento:
 Coeficiente de convecção:
Correlação de Gnielinski :
5.8.1. Tubos
230
Correlação de Gnielinski :
Validade:
)1(Pr)8/(7,121
Pr)1000)(Re8/(
3/22/1   ffNu
2000Pr5,0 
6105Re2300 
 Coeficiente de convecção:
5.8.1. Tubos
Seja uma correlação típica paraescoamento em regime turbulento no interior de
231
escoamento em regime turbulento no interior deum tubo cilíndrico:
nNu PrRe023,0 8,0
Velocidade de escoamento Propriedades físicas
 Coeficiente de convecção:
5.8.1. Tubos
Avaliando-se a variação do coeficiente deconvecção em relação à vazão pode-se observar
232
convecção em relação à vazão pode-se observarque:
nNu PrRe023,0 8,0
8,0vh
 Coeficiente de convecção:
5.8.1. Tubos
Esta análise também pode ser aplicada àspropriedades físicas:
233
propriedades físicas:
nNu PrRe023,0 8,0
67,0kh
considerando n = 0,33
47,0h 33,0Cph
 Queda de pressão:
5.8.1. Tubos
A determinação da queda de pressão para oescoamento no lado dos tubos envolve a perda de
234
escoamento no lado dos tubos envolve a perda decarga nos tubos somada às perdas de carga noscabeçotes e bocais.
g
P
g
P
g
P
g
P ontintht  ,, 
 Queda de pressão:
Perda de carga nos tubos
Equação de Darcy-Weisbach
5.8.1. Tubos
235
m
w
t
it
ptt g
v
D
LNfg
P 

  2
2
,
2100Repara,25,0
2100Repara,14,0


m
m
 Queda de pressão:
5.8.1. Tubos
 Queda de pressão:
Perda de carga nos tubos
Fator de atrito de Darcy - Tubos comerciais
236
1311Re,Re/64 fRegime laminar:
Regime de transição: 3380Re1311,0488,0 f
Regime turbulento: 3380Re,Re
056,1014,0 42,0 f
vP 2
5.8.1. Tubos
 Queda de pressão:
Perda de carga nos cabeçotes
237
g
vNKg
P tpthh 2
2
2 para ,6,1
1 para ,9,0


pth
pth
NK
NK
5.8.1. Tubos
 Queda de pressão:
Perda de carga nos bocais
238
g
vKg
P ntntnt 2
2
saída de bocal o para 7,0
 entrada de bocal o para 1,1


nt
ntK
K
5.8.1. Tubos
Avaliando-se a variação da queda depressão nos tubos pode-se observar que:
 Queda de pressão:
239
pressão nos tubos pode-se observar que:
8,1vPt 
g
v
D
Lfg
Pt 2
2
LPt  1 tP
5.8.2. Casco
O escoamento no casco é muito maiscomplexo que o escoamento no interior dos tubose as correlações atualmente utilizadas pelos
240
e as correlações atualmente utilizadas pelosprogramas para cálculos de trocadores de calornão são disponibilizadas na literatura aberta.
5.8.2. Casco
Idealmente, o fluido escoa no interior docasco transversalmente ao feixe de tubos.
241
5.8.2. Casco
No entanto, a estrutura construtiva de umtrocador casco-e-tubos prevê folgas (tubo-chicana,chicana-casco, casco-feixe) que originam correntessecundárias de vazamento e by-pass no interior docasco (Tinker, 1948).
242
casco (Tinker, 1948).
5.8.2. Casco
 Corrente B: Corrente principal que escoatransversalmente ao feixe de tubos. Do ponto devista da transferência de calor, é a corrente maisfavorável.
243
5.8.2. Casco
 Corrente B: Corrente principal que escoatransversalmente ao feixe de tubos. Do ponto devista da transferência de calor, é a corrente maisfavorável.
244Fonte:Wolverine – Engineering Data Book III
5.8.2. Casco
 Corrente A: Corrente de vazamento tubo-chicana. Escoa através da folga entre os orifíciosdas chicanas para a passagem dos tubos e a paredeexterna dos tubos.
245
5.8.2. Casco
 Corrente A: Corrente de vazamento tubo-chicana. Escoa através da folga entre os orifíciosdas chicanas para a passagem dos tubos e a paredeexterna dos tubos.
246Fonte:Wolverine – Engineering Data Book III
5.8.2. Casco
 Corrente C: Corrente de by-pass feixe-casco.Corresponde ao escoamento na periferia do casco.Sua intensidade sofre forte influência da naturezado trocador (espelho fixo, cabeçote flutuante, etc.).
247
5.8.2. Casco
 Corrente C: Corrente de by-pass feixe-casco.Corresponde ao escoamento na periferia do casco.Sua intensidade sofre forte influência da naturezado trocador (espelho fixo, cabeçote flutuante, etc.).
248Fonte:Wolverine – Engineering Data Book III
5.8.2. Casco
 Corrente E: Corrente de vazamento chicana-casco. Corresponde ao escoamento entre a bordada chicana e a superfície interna do casco. É acorrente mais desfavorável para a transferência decalor.
249
calor.
5.8.2. Casco
 Corrente E: Corrente de vazamento chicana-casco. Corresponde ao escoamento entre a bordada chicana e a superfície interna do casco. É acorrente mais desfavorável para a transferência decalor.
250
calor.
Fonte:Wolverine – Engineering Data Book III
5.8.2. Casco
 Corrente F: Corrente de by-pass entre passes.Esta corrente escoa na folga devido ao espaçonecessário para a inserção dos múltiplos passes.
251
5.8.2. Casco
 Corrente F: Corrente de by-pass entre passes.Esta corrente escoa na folga devido ao espaçonecessário para a inserção dos múltiplos passes.
252Fonte:Wolverine – Engineering Data Book III
5.8.2. Casco
Distribuição do escoamento:
O escoamento do fluido no casco ocorre
253
O escoamento do fluido no casco ocorresimultaneamente através das diversas correntes,desta forma, os parâmetros de projeto poderãoalterar a sua distribuição relativa.
5.8.2. Casco
Corrente Turbulento Laminar
Tubo-chicana (A) 0,09 – 0,23 0,00 – 0,10
Distribuição do escoamento - Palen e Taborek (1969)
254
Tubo-chicana (A) 0,09 – 0,23 0,00 – 0,10
Transversal (B) 0,30 – 0,65 0,10 – 0,50
Feixe – Casco (C) 0,15 – 0,35 0,30 – 0,80
Chicana – Casco (E) 0,06 – 0,21 0,06 – 0,48
Entre passes (F) Não incluída no modelo
5.8.2. Casco
Distribuição do escoamento:
Deve-se estar atento que as correntes devazamento e by-pass são menos efetiva do ponto de
255
vazamento e by-pass são menos efetiva do ponto devista da transferência de calor. Por esta razão, umaredução excessiva do componente da corrente emescoamento transversal pode prejudicar odesempenho do trocador.
5.8.2. Casco
Os métodos já desenvolvidos para adeterminação do coeficiente de convecção e daperda de carga no escoamento no casco em
256
perda de carga no escoamento no casco emtrocadores de calor casco-e-tubo podem serorganizados, de acordo com a sua natureza em umconjunto de abordagens fundamentais, descritas aseguir.
 Escoamento transversal sobre tubos individuaisou feixes de tubos:
Esta abordagem desenvolvida inicialmentena década de 30, baseia-se na descrição do
5.8.2. Casco
257
na década de 30, baseia-se na descrição doescoamento no casco através de dados relativos aoescoamento transversal por tubos isolados ou feixede tubos.
5.8.2. Casco
Abordagem integral:
Estes métodos foram desenvolvidos nasdécadas de 40 e 50 e incluem em seu
258
décadas de 40 e 50 e incluem em seudesenvolvimento dados obtidos em trocadoresreais, mas ainda sem descrever as correntes devazamento e by-pass no seu equacionamento. Ométodo de Kern (1950) é um exemplodestaabordagem.
5.8.2. Casco
Abordagem analítica:
Esta abordagem é representada pelo modeloproposto por Tinker na década de 50 e já leva emconta as diversas correntes de vazamento e by-pass
259
conta as diversas correntes de vazamento e by-passpresentes no escoamento no interior do casco.
O método de Tinker descreve o escoamentono casco como uma rede de diversos caminhoshidráulicos relativos às diferentes correntespropostas. Devido à sua complexidadecomputacional, sua utilização foi limitada.
5.8.2. Casco
Método de Bell-Delaware:
Esta abordagem do início da década de 60 ébaseada em um extenso conjunto de dados sobretrocadores reais com diferentes parâmetros
260
trocadores reais com diferentes parâmetrosconstrutivos. Aborda os efeitos do escoamentoatravés das janelas e das correntes de by-pass evazamento através de fatores multiplicativosaplicados aos resultados de escoamentotransversal.
5.8.2. Casco
Método da análise das correntes:
Este método do final da década de 60 é umaevolução do método de Tinker, envolvendo uma
261
evolução do método de Tinker, envolvendo umaresolução iterativa da rede hidráulicarepresentativa do escoamento no interior do casco.
5.8.2. Casco
Métodos numéricos:
Estes métodos envolvem a resolução rigorosadas equações de conservação utilizando técnicas de
262
das equações de conservação utilizando técnicas defluidodinâmica computacional (CFD).
Apesar do potencial promissor, suacomplexidade ainda limita a sua aplicação práticano projeto de trocadores de calor.
 Coeficiente de convecção:
As equações apresentadas no curso paracálculo do coeficiente de convecção no lado do
5.8.2. Casco
263
cálculo do coeficiente de convecção no lado docasco serão baseadas nos resultados reportadospor Kern (1950).
 Coeficiente de convecção:
14,03/155,0 )/(PrRe36,0 wNu 
5.8.2. Casco
264
Validade: 610Re2000 
)/(PrRe36,0 wNu 
onde Re e Nu são definidos em termos de um diâmetro equivalente (Deq)
Chicanas segmentadas 25%
 Coeficiente de convecção:
Expressão para o diâmetro equivalente:
5.8.2. Casco
265
Arranjo quadrado
Arranjo triangular
etet
tpeq DD
LD ,,
24  
etet
tpeq DD
LD ,,
246,3 
 Coeficiente de convecção:
Área de escoamento para cálculo da velocidade:
5.8.2. Casco
266
tp
bcettpsc L
LDLDA )( ,
 Queda de pressão:
As equações apresentadas no curso paracálculo da queda de pressão também serão
5.8.2. Casco
267
cálculo da queda de pressão também serãobaseadas nos resultados reportados por Kern(1950).
 Queda de pressão:
A determinação da queda de pressão para oescoamento no lado do casco envolve a perda de
5.8.2. Casco
268
escoamento no lado do casco envolve a perda decarga relativa ao escoamento através do feixesomada às perdas de carga nos bocais.
g
P
g
P
g
P onsinss  ,, 
 Queda de pressão:
Perda de carga no escoamento no casco
5.8.2. Casco
14,02)1(  vNDP 
269
2
2
)1( 




w
s
eq
Bs g
v
D
NDfg
P 
Validade: Chicanas segmentadas 25%
onde:
6188,0 10Re500,Re728,1  f
1)/(  bcB LLN
500Re,}[ln(Re)]13357,0ln(Re)7645,11858,5exp{ 2 f
vKP nsns 2
5.8.2. Casco
 Queda de pressão:
Perda de carga nos bocais
270
g
vKg
P nsnsns 2onde:
sem quebra-jato
com quebra-jato
2]6,0)/[(
11 SSSK nens 
)/1( , horiztpet LDS 
0S
2DObservação:
5.8.2. Casco
 Queda de pressão:
Perda de carga nos bocais
271
4
2nn
DS Área de escoamento nos bocais:
Área de escape sob os bocais: lne DDS Obs. 1: Dl é a distância entre o bocal e o quebra-jato ou entre o bocal e o tubo mais próximoObs. 2: Tipicamente, Se / Sn é igual a 1,00 para o bocal de entrada e 0,67 para o bocal de saída
 Observação:
A relação entre o número de tubos (Ntt) e odiâmetro do feixe (Db) pode ser aproximada emcálculos preliminares pelo seguinte resultado:
5.8.2. Casco
272
bcálculos preliminares pelo seguinte resultado:
ctpttb FLND 2
2
4 

onde Ltp é o passo do feixe e Fc é um fatorassociado ao arranjo da matriz tubular, tal queFc = 1, se arranjo quadrado e Fc = 0,866, searranjo triangular.
 Observação:
Uma relação equivalente entre o diâmetrodo feixe (Db) e o diâmetro do casco (Ds) pode seraproximada por:
5.8.2. Casco
273
b saproximada por:
44
22 ssb DFD 
onde Fs é um fator associado a folga feixe-casco ea omissão de tubos devidos aos passes. Paratrocadores com espelho fixo, Fs = 0,93, para umpasse, e Fs = 0,90, para dois passes.