trocador de calor

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Trocadores de Calor
CONTEÚDO PROGRAMATICO:
• Introdução (Apresentação do curso)
• Normas Aplicáveis
• Classificação dos trocadores de calor
• Aplicação de trocadores de calor
• Seleção de trocador de calor
• Componentes
• Inspeção
INTRODUÇÃO
A definição de trocadores de calor é “Todo dispositivo de se utiliza do
processo de troca térmica entre dois fluidos distintos de temperaturas
diferentes (°T), com a finalidade de equalizar a temperatura do fluido de
trabalho a temperatura necessária no processo.
Sua aplicação no ramo da Engenharia é muito ampla, podendo ser aplicada
em plantas de aquecimento e/ou resfriamento, assim como em processos
de recuperação de calor.
INTRODUÇÃO
Seu conceito se baseia em um equipamento ao qual, dois fluidos se
encontram dispostos separadamente por meio de uma parede ou casca,
por meio da transmissão de calor através de condução térmica, na qual o
elemento mais quente tende a fornecer calor para elemento mais frio,
tendo como transportador de calor a própria parede do equipamento.
O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três 
fases principais:
• Análise Térmica
Constitui na determinação da área de troca eficiente para transmitir o
calor, considerando a quantidade necessária por unidade de tempo, com
as vazões e as temperaturas dos fluidos e determinando a perde de carga
de todo o escoamento.
• Projeto Mecânico Preliminar
Submetem as considerações sobre as pressões e temperaturas de toda a
operação, suas características corrosivas de um fluido ou de ambos, as
expansões térmicas relativas e as consequentes tensões térmicas, e as
relação do trocador de calor com demais equipamento.
• Projeto de Fabricação
Consiste em determinar as características e dimensões
físicas em uma unidade que possa ser construída a baixo
custo, especificar processos de fabricação priorisando
processo eficaz, seleção dos materiais, vedações, e arranjos
mecânicos.
Transmissão de Calor
Por definição: “O calor é a forma de energia que se transfere de um
sistema para outro graças à diferença de temperatura entre eles”. A
transferência de calor entre dois ou mais corpos pode ocorrer de três
formas: Irradiação, Condução e Convecção.
Irradiação é a propagação de energia térmica que ocorre quando o calor
se propaga através de ondas eletromagnéticas, sem haver contato com
entre os corpos. O corpo que emite a energia radiante é chamado
emissor ou radiador , já o corpo que recebe, é denominado receptor.
• Transferência por Irradiação
Na imagem acima, as mãos são aquecidas pelo calor fornecido pela
fogueira, sem o contato direto entre ambos, e o meio de transporte das
ondas de calor deste caso é o Ar.
Exemplo de Irradiação:
• Transferência por Condução
Condução é a transferência de calor que ocorre quando o calor se
transfere entre dois ou mais corpos através de um meio condutor, está
situação ocorre nos Trocadores de Calor, onde o meio condutor é a
parede ou casco, que separa ambos os fluidos, transportando o calor
do fluido “mais quente” para o “mais frio”.
Na imagem acima, a ferramenta metálica serve de condutos para
transportar o calor da fogueira até a mão, embora a mão não esteja
em contato direto com o fogo, o calor percorrerá todo o caminho até
ela de forma a aquecê-la.
Exemplo de Condução:
Convecção é a movimentação de calor que se propaga meio ao qual é
envolto, geralmente se tratando do ar, neste fenômeno o ar quente
tende a subir devido a diminuição de sua densidade, já o ar frio tende a
descer pelo motivo inverso, gerando assim um ciclo de calor.
• Transferência por Convecção
Na imagem acima, o ar aquecido da fogueira, sobe de encontro
a mão, enquanto o ar frio ao redor de ambos tende a descer, até
ser reaquecido pela fogueira e voltar a subir.
Exemplo de Convecção
NORMAS APLICÁVEIS
As normas foram estabelecidas para padronização e condições
mínimas de segurança para a operação, com as exigências descritas
por normas comprovou que os riscos são menos pra quem trabalha
com esses equipamentos. Deve-se salientar que para o completo
entendimento se faz necessário um estudo aprofundado das normas
a seguir.
A norma foi fundada em 1880 com a Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, a ASME
(American Society of Mechanical Engineers) que é uma organização profissional sem nenhuma
lucratividade que permite a colaboração para vários engenheiros no mercado.
Essa norma é a principal para realizar um projeto completo de vasos de pressão/ trocador de calor,
tendo como base a divisão 1 e 2, quais regem todas as informações necessárias para se projetar
com segurança, com todos os quesitos de exigências a consulta é necessária para os seguintes
aspectos.
•Cálculo para estrutura
•Especificações para material
•Estudo de tensões
•Estudos sobre tratamentos térmicos
•Inspeções
•Processos de soldagem
Código ASME (Seção VIII)
Normas TEMA
Associação Americana de Fabricantes De Trocadores De Calor (Tubular
Exchangers Manufactures Association – TEMA) publicou uma norma
que inclui exigências e recomendações para o projeto mais que não se
altera e nem substitui os códigos ASME, seção VII e divisão 1 para vasos
de pressão/trocadores de calor construídos de acordo com a norma
estabelecidas da TEMA dando apenas um adendo para atender as
condições particulares dos trocadores de calor.
Os tipos F, G, H, J, K e X são várias combinações de entradas e saídas no
casco. As letras L, M, N, P, S, T, U e W designam o tipo de extremidade
oposta ao carretel. Os tipos L, M e N semelhantes as extremidades A, B,
C e em todos eles os trocadores tem ambos os espelhos fixos. Os tipos
P e W têm espelho flutuante com gaxeta externa. Os tipos S e T têm
espelho flutuante interno, sendo que ambos os feixes tubulares estão
no carretel.
No tipo S, para a remoção do feixe tubular tira-se a tampa do casco e
depois a tampa flutuante é simplificada, sendo o feixe é capaz de passar
por inteiro através do casco, mesmo com a tampa flutuante
aparafusada ao espelho flutuante. Nesse caso possui diâmetro interno
maior do que o do tipo S. E o tipo U possui o feixe tubular em U, com
um único espelho.
Norma 13 (NR-13)
É uma norma regulamentadora nº 13 (NR-13), aprovada pela Portaria
n°3.214 de 08 de junho de 1978 do Ministério do Trabalho e Emprego.
A norma regulamentadora nº 13 estabelece os requisitos mínimos
para gestão da integridade estrutural de caldeiras a vapor, vasos de
pressão e suas tubulações de interligação relacionados à instalação,
inspeção, operação e manutenção, visando à segurança e à saúde dos
trabalhadores, ela estabelece que para efeito da NR-13, os vasos de
pressão são classificados em categorias segundo a classe de fluido e
o potencial de risco.
Além disso, a norma regulamentadora nº 13 estabelece que os
equipamentos nela referenciados devem ser submetidos às inspeções
previstas em códigos e normas nacionais ou internacionais a eles
relacionados, ficando dispensados do cumprimento dos demais
requisitos da NR-13.
CLASSIFICAÇÃO DE
TROCADORES DE CALOR
Segundo a TEMA (Tubular Exchange Manufactures Association),
estabelece-se como prática recomendada para designação dos
trocadores de calor multitubulares letras (de A ao W), na qual a letras
corresponde a cabeçote ( de A ao D), do Casco ( de E ao K) e da
extremidade oposta ao cabeçote (de L ao W).
A tabela a seguir apresenta as divisões e os desenhos das respectivas
divisões:
Classificação TEMA
Como dito anteriormente, assim como os trocadores de calor, existem
outros equipamentos, que tem como função efetuar operações de troca
térmica das mais diversas formas, a classificação destes equipamentos
esta descrita na tema, de acordo com a imagem a seguir:
Equipamentos de troca térmica
EQUIPAMENTOS DE TROCA TÉRMICA (TEMA)• Trocador Tubo Duplo
Os trocadores de tubo duplo, como o próprio nome sugere, é
constituído de dois tubos, um dentro do outro, concêntricos, formando
dois espaços de escoamento, um no tubo interno e outro pelo espaço
entre o tubo interno e externo.
Tipos de Trocadores de calor
Ilustração de Trocados Tubo Duplo
Os trocadores de casco e tubo, são os tipos mais utilizados de trocador
de calor, pela sua facilidade de fabricação, domínio de temperaturas e
pressões. Comumente é constituído de tubos cilíndricos montados
dentro de um casco cilíndrico com eixos paralelos ao do casco.
• Trocadores Casco e Tubo
Ilustração de Trocador Casco e Tubo
Os trocadores de placas, geralmente são constituídos por placas
delgadas, lisas ou onduladas. Como a geometria das placas não podem
suportar uma temperatura e pressão tão altas quanto um tubo
cilíndrico, os trocadores de placas, são ordinariamente projetados para
temperatura e pressão moderados. A principal qualidade desse tipo de
calor é sua compatibilidade.
• Trocador de placas
Ilustração de Trocador de Placas
Os trocadores de placas aletadas são os mais compactos. São
constituídos de aletas planas ou onduladas, que são separadas por
chapas de metal planas. Correntes cruzadas, contracorrente, ou
correntes paralelas, são os arranjos mais comuns encontrados
mediante a orientação das aletas em cada lado das placas. Este tipo de
trocador é geralmente utilizado para troca de gás para gás, porem com
baixa pressão, não é recomendado que ultrapasse 1.000 KPa. Com
relação a temperatura o limite é de 800°C. Esse trocador é muito
utilizado em criogenia.
• Trocadores de Placas Aletadas
Ilustração de Trocador de Placas Aletadas
Os trocadores de tubos aletados são muito utilizados quando se precisa
trabalhar com alta pressão. As configurações mais usuais dele são de
tubos cilíndricos ou tubos chatos com aletas planas e tubos cilíndricos
com aletas circulares. Este tipo de trocador pode trabalhar em uma
grande escala de pressão, mas, que não ultrapasse 3.000KPa. Com
relação a temperatura ele pode trabalhar desde baixa temperatura
(criogenia) até uma faixa de 870°C. Os trocadores de tubos aletados são
muito empregados em reatores nucleares, automóveis, aeroplanos,
refrigeração, dentre outras aplicações.
• Trocadores de Tubo Aletado
Ilustração de Trocador de Tubo Aletadas
Classificação
Como demonstrado anteriormente, existem muitos tipos de
trocadores de calor e diversas aplicações, o que também resulta
em muitas maneiras de classifica-los, as mais usuais serão
apresentadas a seguir:
•Modo de troca de calor;
•Número de Fluidos
•Tipo de construção.
• Trocador de calor por contato direto:
No trocador por contato direto os dois fluidos se misturam, em
seus usos comuns existe a transferência de massa além da
transferência de calor entre os fluidos. Em comparação com os
outros tipos de trocadores ele atinge uma taxa de troca de calor
entre os fluidos muito maior e sua construção é relativamente
barata.
Modo de troca de calor
• Trocador por contato indireto:
Neste tipo de trocador há um fluxo continuo de calor entre os
fluidos por uma parede que os separa, como há uma parede que
separa os fluidos não há mistura entre os fluidos. Esse tipo de
trocador é considerado de recuperação, ou recuperador.
• Trocador de armazenamento:
Neste trocador ambos os fluidos passam alternadamente pelas
mesmas passagens de troca de calor. A superfície de troca é
normalmente chamada de matriz. Este trocador é utilizado tanto
para aquecimento quanto para resfriamento, a matriz absorve o
calor do fluido e o transfere para o outro quando alternado,
dependendo da aplicação.
• Trocador com apenas um tipo de fluido:
Este tipo de trocador, trabalha apenas com um tipo de fluido
sendo resfriado pelo ar. Este tipo de trocador de calor é
utilizado para arrefecimento de componentes, que não podem
sobre aquecer, assim como, motores e alguns componentes
eletrônicos. Este trocador não deixa o fluido em contato direto
com o componente que necessita ser arrefecido.
Número de Fluidos
• Trocador com dois tipos de fluido:
Este tipo de trocador é o mais comum em usos industriais, eles se
utilizam de um fluido quente e outro frio. Dependendo do trabalho ele
pode ser usado para aquecimento tanto quanto para o resfriamento.
Neste tipo de trocador os dois tipos de fluidos podem estar em contato
direto, que é muito pouco usual. A grande maioria destes trocadores
são de contato indireto dos fluidos.
Tipo de Construção
• Trocador de tubos:
Os trocadores de tubos normalmente são constituídos por um casco
que envolve um ou mais tubos por onde passa um fluido. A troca de
calor desse tipo de trocador é indireta, então, há dois fluidos que não se
misturam e sempre será, um fluido passando no casco e o outro fluido
passando pelos tubos internos do casco. São o tipo mais utilizado e
mais versátil de trocador.
• Trocador de Placas:
São trocadores compostos por placas (lisas ou onduladas), não
suportam grandes pressões comparado aos tubulares, porem são
trocadores de calor compactos.
SELEÇÃO DE
TROCADORES DE CALOR
O processo de seleção de trocadores de calor, em resumo, trata-se da
avaliação geral dos critérios desejados no projeto, tento em vista desde
seu fluido de operação, sua área de instalação, a pressão ao qual o
mesmo irá trabalhar, chegando até mesmo a critérios logísticos como a
sua disponibilidade de espaço e transporte, área acessível para a
manutenção e controle.
Tendo em vista as informações dadas anteriormente, podemos
determinar a seleção de trocadores por critérios de conhecimento,
baseados na experiência do responsável ao qual deseja executar a
seleção, ou se utilizar de critérios analíticos como:
• Desempenho térmico:
O trocador selecionado deve atingir o desempenho térmico necessário
para que o processo atinja o resultado desejado dentro dos limites da
perda de carga.
• Desempenho de Operação:
O trocador selecionado deve suprir a todas as condições de operação a
qual será empregado, tais como corrosão, depósitos, tensões e esforços
mecânicos. A seleção deve considerar a possibilidade de depósito,
assim como problemas de corrosão e os derivados que possam ser
identificados, assim como problemas que possam ocorrer decorrentes a
vibração, dilatação, dentre outros fenômenos.
• Caráter Logístico:
O trocador deve operar de forma satisfatória sem gerar instabilidades,
ou problemas como vibrações ou incrustações na faixa operacional a
qual irá constituir, assim como a área disponível para a instalação, e
forma de transporte.
• Manutenção:
O trocador deve permitir acesso para limpezas mecânicas e químicas
das áreas suscetíveis a depósitos, assim como espaço disponível para a
substituição e reparo de componentes que possam se encontrar
danificados.
•CUSTO :
Deve-se avaliar o custo inicial do trocador, assim como o custo de
treinamento necessário para operação, custos operacionais de reparo
e inspeção, se contrapondo ao retorno obtido pelo mesmo durante
sua operação.
Embora disposto como último critério, em todo processo de seleção o
custo é o aspecto determinante na decisão final, sendo crucial a
analise do Payback do equipamento.
*Payback = é um cálculo simples do tempo que levará para um investimento se pagar. O 
método Payback pode ser utilizado tanto por empreendedores iniciando um negócio quanto 
por gestores que querem implementar uma ideia e precisam saber o tempo de retorno do 
investimento.
COMPONENTES DE
TROCADORES DE CALOR
Os Componentes básicos de um trocador de calor tipo casco e tubo são:
•Tubos;
•Espelhos;
•Casco;
•Cabeçotes;
•Tampas;
•Divisor;
•Chicanas;
•Aleta;
•Suporte de sustentação;
Componentes 
Em trocadores de calor os tubos são componentesbásicos sendo eles
que determinam a área de troca térmica. Os tubos são os mais sujeitos a
corrosão, os tubos são sem costuras em dimensões padrão de 1/4",
3/8", 1/2", 3/4", 1", 1.1/4", 1.1/2" de diâmetro externo exato e
espessura de parece é medida segundo as unidades do calibre
Birmingham para fios (BWG), o padrão que é mais usado no mercado é
de 3/4"e 1".
Os tubos mais comumente são lisos, mais alguns projetos são definidos
com aletas inteiriças ou baixa aleta, a finalidade das aletas inteiriçadas é
aumentar a área de troca de calor, para compensar um coeficiente de
película baixo em relação á parte interior do tubo.
• Tubos
Exemplo: Em condensadores de vapor orgânico que os coeficientes
estão em torno de 3000kcal h.m ºc contra cerca de 5000Kcal h.m ºc
da água escoando dentro dos tubos.
Os espelhos é parte do trocador de calor que servem para o conjunto
de tubos, onde se chama feixe, o espelho é considerado como placa de
metal perfurada onde são inseridos os tubos e são fixados por dois
processos:
• Mandrilagem
• Solda - utilizada quando a possibilidade de vazamento deve
serevitada.
• Espelho
O casco é circular, é feito de tubos de aço padronizados com diâmetro de carcaça de
24 polegadas, isso depende das condições de pressão que determinarão a espessura
da parede e pode-se considerar que diâmetros maiores são fabricados com chapas
calandradas.
Os cabeçotes são tampas que servem para distribuição do fluido que são percorridos
pelo feixe tubular. O feixe possur varios modo de construção que permitem passagens
ou passes tanto nos tubos quanto nos cascos.
Para as divisões de passes no lado dos tubos é determinados pelas ranhuras no
espelho que são correspondidas pelas nervuras ou divisores de passe nos
cabeçotes.
• Cabeçote
• Casco
Na parte externa do feixe esta localizada as chicanas que servem
basicamente para três funções:
• Suporte para os tubos
• Evitam vibrações dos tubos causadas por turbilhões
• Para guiar o fluxo do lado do casco através do feixe, que faz aumentar
a velocidade, turbulência e o coeficiente de troca térmica.
• Chicanas
Todos os trocadores de calor devem ter suporte próprio, não se
admitindo, mesmo para equipamentos leves ou pequenos, que fiquem
simplesmente suportados pelas tubulações. O suporte por meio de
uma saia cilíndrica (skirt), apoiada diretamente sobre uma base de
concreto, é o sistema mais comum para os trocadores. Sempre que o
espaço dentro da saia for confinado, a saia deve ter uma altura tal que
deixe uma distancia livre mínima de 1200 mm entre o fundo do
equipamento e a base, além de uma distancia mínima livre de 300
mm, entre a tubulação ligada ao fundo do vaso e a mesma base. Em
qualquer caso, a altura da saia deve ser suficiente para permitir a
expansão diametral do trocador pelo efeito de pressão e/ou de
temperatura, sem causar uma flexão excessiva na saia.
• Suportes
Os trocadores costumam ser suportados por duas selas ou berços, de
construção metálica, abrangendo no mínimo 120° de circunferência
do trocador. Um dos berços deve ter sempre os furos de
chumbadores alongados, para acomodar a dilatação própria do vaso.
Os berços devem ser soldados ao casco do vaso por um cordão de
solda contínuo, para evitar a penetração de água da chuva.
Antes de se iniciar qualquer serviço de soldagem em trocadores,
deve-se qualificar a todos os colaboradores envolvidos neste
processo. Essa qualificação, consiste em uma série de testes
estabelecidos e padronizados por diversas normas, têm por finalidade
verificar a adequação dos procedimentos de soldagem e avaliar a
capacitação profissional de cada soldador ou operador, em relação ao
material a soldar, tipos de soldas e demais variáveis de cada caso
particular.
• Soldagem
Para trocadores e vasos de pressão, a norma vigente é a Seção IX do
código ASME (Welding Qualifications), que estabelece rotinas
detalhadas a serem seguidas em todo processo. Denomina-se
“procedimento de soldagem” a descrição detalhada de todos os
parâmetros relativos a uma determinada solda, tais como posição da
solda, geometria da solda, dentre outros classificados na norma
ASME.
O código ASME, Seção VIII, Divisões 1 (parágrafos UW-26 a UW-29) e
Divisão 2 (parágrafo AF-210), exige esses testes de qualificação para
todas as soldas nas partes dos trocadores e vasos de pressão que
sejam pressurizadas ou submetidas a esforços principais (suportes e
orelhas de suspensão do vaso, por exemplo) bem como as soldas de
ligação dessas partes do vaso a quaisquer outras. É exigido que os
testes de qualificação sejam realizados antes de qualquer solda no
vaso, e que sejam repetidos sempre que houver uma interrupção
prolongada do serviço, devendo ser documentados junto ao registro
de reparo.
SELEÇÃO DE MATERIAIS
A seleção correta de todos materiais a se utilizar vai depender da
aplicação que será para proteger a tubulação desejada. Alguns
critérios para definir o material:
• Deve-se conhecer o fluído que será conduzido, como por exemplo,
concentração PH, presença de gases, temperatura, corrosão redutor
ou caráter oxidante.
• Característica do serviço e suas condições pois o material tem de
ser capaz de resistir á pressão em toda a faixa de variação de
temperatura possível de ocorrer. Dependendo das condições de
serviço, a densidade, viscosidade, pressão de vapor e ataque
corrosivo dos materiais pode variar.
Critérios para a Seleção
•O nível de tensões no material deve resistir aos esforços
solicitantes, e por isso a sua resistência mecânica deve ser
compatível com o nível de suas tensões, isto é, com a ordem de
grandeza dos esforços que contem. A espessura deve estar dentro
dos limites de fabricação normal, é necessário que sejam
empregados materiais de grande resistência quando os esforços
forem grandes e vice-versa.
•Independentemente do nível de tensões a natureza dos esforços
existentes como: tração, compressão, flexão, esforços estáticos ou
dinâmicos, choque e vibrações também condiciona a seleção do
material.
•O material também se adequa ao sistema de ligação, se haverá
desmontagem, diâmetro da tubulação, custos e segurança.
A segurança é ideal para a tubulação, tendo como base a aplicação
da tubulação sendo o local grande ou pequeno, o material tem que
ser de máxima segurança para evitar rupturas, vazamentos ou outros
acidentes que podem paralisar o sistema ou prejuízos contribuindo
para velocidade do fluído para alguns materiais a velocidade do
fluido pode influir grandemente nas resistências à corrosão e à
erosão do material.
• Perdas de carga quando por exigências de serviço, é imposto um
determinado limite para de atender essa exigência. Deve ser
considerada a possibilidade de aumento de perdas de carga
decorrente da maior rugosidade das paredes dos tubos em
consequência de corrosão, erosão, etc.
• O tempo de duração mínima do material tem de ser compatível
com o tempo de vida útil previsto para tubulação, este período
depende da natureza e importância da tubulação, tempo de
amortização, investimento, tempo provável de obsolescência da
tubulação ou da instalação.
Isolantes térmicos
Isolantes térmicos são materiais utilizados em revestimentos, para
reduzir a transmissão de calor entre sistemas. A conceituação de
isolação térmica, está fundamentalmente designada pela aplicação e
economia dos materiais a ser utilizados. O isolamento térmico é
composto por 3 elementos distintos, sendo o isolante térmico, o
sistema de fixação e sustentação mecânica e a proteção exterior.
A finalidade principal da isolação térmica é dificultar, reduzir e
minimizar a transferência de calor entre dois sistemas físicos que se
encontram em níveis diferentes de temperatura.
Porém, para efeito de classificação normativa, de projeto e comercial,
considerar-se-á isolação térmica aplicávelobjetivando principalmente as
seguintes finalidades:
• Economia de energia;
• Estabilidade operacional:
• Conforto térmico;
• Proteção do pessoal e estrutural;
• Evitar condensação.
São muitas as opções de materiais que podem vir a ser utilizados para o
processo de isolamento térmico, e sua seleção depende apenas das
especificações técnicas do projeto e da decisão do projetista de qual
material será melhor empregado aquela finalidade.
INSPEÇÃO DE TROCADOR DE CALOR
A Inspeção de equipamentos industriais visa identificar falhas no
processo e fabricação, tais como corrosão, redução de espessura de
parede, descontinuidades de solda, assim como outras
irregularidades que possam trazer risco de paradas inesperadas,
acidentes, explosões e quaisquer outros eventos indesejáveis.
As inspeções e testes são fornecidos pelo fabricante, a menos que
especificado de outra forma, devendo ser realizado inspeções
exigidas pelo código ASME, e cabendo ao cliente realizar inspeções
exigidas pelas normas estaduais e locais quando necessário.
É de inteira responsabilidade do fabricante de assegurar que o controle de
qualidade, o projeto e exames detalhados e testes exigidos no código ASME
seja realizado, sendo essas responsabilidades definidas nas regras
aplicáveis, resumidos do seguinte modo:
•Certificado ASME autorizando o fabricante a construção do equipamento
•Desenhos e cálculos do projeto.
•Identificação para todo o material usado na fabricação
•Assegurar relatórios de dados parciais, durante a fabricação
•Comprovação de ensaios para todos os materiais antes de se iniciar a
fabricação e sua rastreabilidade
•Qualificação dos procedimentos de soldagem, assim como a qualificação
dos soldadores em atividade.
•Fornecimento de registros de ensaios não destrutivos, ensaios
dimensionais e ensaio de pressão, sendo executados por profissional
qualificado.
O inspetor deve realizar todas as inspeções especificamente exigidas
pelo código e demais ensaios como ele acreditar ser necessário para
sua certificação, podendo assim autorizar e carimbar o projeto,
aprovando de acordo com os requisitos determinados.
Através da utilização de diversas técnicas de ensaios não-destrutivos e
da opinião qualificada de inspetores experientes, avalia-se a
construção e aprovação dos trocadores de calor, assim como
equipamentos já em operação, para que atuem de forma segura até a
próxima inspeção programada. A avaliação da segurança dos
equipamentos através de um programa de inspeção é essencial,
evitando paradas inesperadas, acidentes de trabalho e ambientais,
cumprindo com a legislação vigente de segurança do trabalho.
•Ensaio Dimensional
O inspetor deve certificar-se de que os requisitos dimensionais
conforme projeto seja atendido, realizando tais medições como ele
considerar necessário, respeitando as tolerâncias dimensionais
conforme TEMA.
•Ensaios Não Destrutivos
São aplicados ensaios não destrutivos, quando necessário e
especificado em projeto. Seja ele partículas magnéticas e/ou
Líquidos penetrantes para soldas e chapas superficiais, e ensaio por
ultra-som e/ou radiografias para juntas completas.
Inspeção de Solda
Antes de iniciar o processo de soldagem no trocador de calor, deve
ser feita a qualificação de todos os procedimentos de soldagem e de
todos os soldadores que serão empregados. Essas qualificações são
estabelecidas por normas (ASME IX welding qualifications) e têm a
finalidade de verificar a adequação dos procedimentos de soldagem e
capacitar os soldadores em relação ao material a ser soldado.
Os procedimentos de soldagem definem os parâmetros a uma
determinada solda. Antes de dar início deve ser feito um estudo da
sequência de soldagem e de montagem do trocador, este estudo tem
a finalidade de estabelecer a ordem cronológica em que as soldas
devem ser feitas.
Para a inspeção, as soldas dos trocadores devem ser submetidas a
exames não destrutivos para a detecção de possíveis defeitos, os
ensaios possíveis são:
• Inspeção visual.
• Inspeção por líquidos penetrantes.
• Inspeção por partículas magnéticas.
• Inspeção por Raio-X.
• Inspeção por Ultra-Som.
Após o término do trocador é obrigatório uma inspeção por teste
hidrostático, onde o valor da pressão é estabelecido pelas normas de
projeto.
Ensaio Hidrostático
É um processo em que os componentes de um sistema, tais como
tubos, vasos de pressão são testadas para a verificação de resistência
e vazamentos através do enchimento do equipamento com um líquido
pressurizado.
O Teste Hidrostático pode identificar:
Falhas existentes no material (de tubulações, extintores, vasos de
pressão, caldeiras e mangueiras),
Corrosão sob tensão e propriedades mecânicas reais,
Localizada pontos duros que podem causar falha
O Teste hidrostático funciona enchendo completamente o
equipamento com o líquido (normalmente, mas nem sempre é a
água), até que uma determinada pressão seja atingida. A pressão de
ensaio hidráulica muitas vezes excede a pressão de trabalho projetada
do equipamento, às vezes por mais de 150%, dependendo da norma
regional aplicável, conforme ASME, esta pressão é a pressão do
projeto multiplicado por 1,3.
A pressão é então realizada por um período específico de tempo para
inspecionar visualmente a existência de vazamentos. A inspeção visual
pode ser melhorada pela aplicação de um ou outro marcador ou
corantes fluorescentes para o líquido, como requerido ou necessário.
O Teste hidrostático é utilizado como um teste de prova final, após a
conclusão dos reparos e testes, o equipamentos pode retornar ao
serviço. Embora possa apontar ou não se vazamentos estão
presentes, um teste hidrostático não necessariamente garante a
integridade do componente.
Ensaio Pneumático
Um teste de pneumático é inerentemente mais perigoso do que um
ensaio hidráulico devido ao conteúdo mais elevado de energia de um
gás comprimido, e este tipo de teste é limitado a pressões mais baixas
ou sistemas menores. Os procedimentos de segurança para estes
testes pneumáticos são amplamente documentados em referências
de engenharia e livros de código de segurança em diversos países.
Diferente do teste hidrostático, o pneumático utiliza gás comprimido
para realizar sua aplicação. Sua função primordial é verificar pressão
real e a capacidade de pressão de determinado sistema. Para a
realização desse teste, todas as portas de um sistema devem ser
fechadas menos, é claro, a porta onde o fluído será inserido. Após o
fechamento, o fluído é inserido até que a medida da pressão seja
obtida.
Seja o ensaio hidrostático ou pneumático, deve-se utiliza
manômetros com calibração vigente, conectado diretamente ao
equipamento e visível para o controle do inspetor durante todo o
período do ensaio.
A ASME atualiza sistemas de segurança, como o código especifico para
trabalhos em caldeiras e vasos de pressão (BPVC), e oferece programas
de treinamento e certificação dos técnicos em todo o mundo.
Cálculo térmico
Como vimos na parte de seleção de trocadores, não a uma regra fixa
para a escolha do melhor trocador de calor para a execução do
trabalho.
O que realmente determina é:
A eficiência térmica, ou seja, a necessidade de atingir a temperatura
desejada na saída do trocador.
Para facilitar a solução deste problema é adotado o método DTML,
conhecendo as temperaturas de entrada e saída dos fluidos quente e
frio.
Outro problema encontrado é quando se tem as dimensões do
trocador de calor e é necessário saber a taxa de transferência de calor
e as temperaturas de entrada e saída, sabendo a vazão e as
temperaturas de entrada. Nesse caso pode-se usar o mesmo método
do anterior (DTML), porém, isso estenderia muito o trabalho de
calcular os valores desejados. Então para facilitar esse trabalho
utilizamos o método NUT.
Método da DTML: Paraprever ou projetar o desempenho de um
trocador de calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência
de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o
coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da
transferência de calor.
Método do NUT: Para definir a efetividade de um trocador de calor,
devemos determinar inicialmente a taxa máxima possível de
transferência de calor no trocador. A efetividade é definida como a
razão entre a taxa real de transferência de calor no trocador de calor e
a taxa máxima possível de transferência de calor.
No exemplo iremos utilizar um trocador de tubo dublo, e como visto
anteriormente, sabemos que seus tubos concêntricos conduzem
corrente, que podem ser tanto paralelas quanto contracorrente. A
configuração do escoamento, no caso do trocador de tubo duplo, será
proporcional.
A fim de estabelecer a diferença de temperaturas entre uma
temperatura geral T, de um fluido quente e uma temperatura t, de um
fluido frio, é necessário se considerar também todas as resistências
entre as temperaturas. No caso de dois tubos concêntricos, sendo o
tubo interno muito fino, as resistências encontradas são peculiares do
fluido do tubo, a resistência da parede do tubo é Lm/km, e a
resistência peculiar do fluido na parede anular. Uma vez que Q é igual
a t/R.
෍𝑅 =
1
ℎ1
+
𝐿𝑚
𝑘𝑚
+
1
ℎ0
=
1
𝑈
É costume substituir 1/U por R onde U denomina-se coeficiente total de transmissão de
calor. Levando-se em conta que um tubo real possui áreas diferentes em suas superfícies
interna e externa, h1 e h0 devem-se referir à mesma área de transmissão de calor. Se a
área externa A do tubo interno for usada, então h1 deveria possuir se ele fosse
originalmente calculado com base na área maior A em vez de A1, então
1
𝑈
=
1
ℎ1 ൗ𝐴1 𝐴
+
1
ℎ0
Para dedução da diferença de temperatura entre dois fluxos, as
seguintes hipóteses devem ser feitas:
• O coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o
comprimento da trajetória.
• O calor específico é constante em todos os pontos da trajetória.
• Não existem mudanças de fase parciais no sistema.
• As perdas de calor são desprezíveis.
Então temos:
∆𝑇𝑚𝑙 = 𝑀𝐿𝑇𝐷 =
𝑇1 − 𝑡2 − (𝑇2 − 𝑡1)
𝑙𝑛 ൗ𝑇1 − 𝑡2 𝑇2 − 𝑡1
=
∆𝑡2 − ∆𝑡1
𝑙𝑛 ൗ∆𝑡2 ∆𝑡1
Assim temos que a taxa de calor transferidas:
𝑄 = 𝑈 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇𝑚𝑙
Onde:
• 𝑄 é a taxa de transferência de calor (w);
• 𝐴 é a área de troca térmica (m2 );
• 𝑈 é o coeficiente global de transferência de calor (w/ m2 °C);
• ∆ 𝑇𝑚𝑙 é diferença média de temperatura entre os fluidos (°C)