Trabalho P2 - Trocadores de calor casco e tubo

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 Centro Universitário Anhanguera de Niterói-UNIAN
CARLOS EDUARDO GONÇALVES TAVARES
CARLOS MICHEL DOS ANJOS DOS SANTOS
DANIEL DA SILVA PORTELLA
EDSON BATISTA DOS SANTOS LOURENÇO
MARCELO FILIPE XAVIER DORNELLAS
RA:172663211046
168174311046
172714811046
172662611046
172711511046
TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO 
Niterói
2018
CARLOS EDUARDO GONÇALVES TAVARES
CARLOS MICHEL DOS ANJOS DOS SANTOS
DANIEL DA SILVA PORTELLA
EDSON BATISTA DOS SANTOS LOURENÇO
MARCELO FILIPE XAVIER DORNELLAS
TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO
 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Centro universitário Anhanguera Niterói, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia mecânica 
Professor: Laerte Correa dos Santos
Niterói
2018
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
Figura 1 – Projeto trocador de calor	15
Figura 2 – Tipos defletores do trocador de calor	15
Figura 3 – Tipos de cabeçote	17
Figura 4 – Arranjo de tubos 45º	18
Figura 5 – Trocador de calor de correntes	20
SUMÁRIO
1.	INTRODUÇÃO	2
2.	TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO	2
2.1 PROJETO DE TROCADOR DE CALOR CASCO E TUDO..............................14
2.2 COMPONENTES BÁSICOS DE UM TROCADOR DE CALOR........................14
3.	TIPOS DE TROCADORES DE CALOR	2
3.1 CLASSIFICAÇÃO QUANTO Á UTILIZAÇÃO...................................................19
3.2 CLASSIFICAÇÃO QUANTO À FORMA CONSTRUTIVA.................................19
REFERÊNCIAS	2
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INTRODUÇÃO
Trocadores de calor são equipamentos em que dois fluidos a diferentes temperaturas trocam calor através de uma superfície metálica, podendo ou não ocorrer mudança de fase dos fluidos. Essa troca térmica é empregada para atender às exigências de um dado processo. 
Dentre os vários tipos de trocadores de calor empregados em processos industriais, o mais usado é o tipo casco e tubos. Este trocador consiste, resumidamente, de um casco cilíndrico que contém tubos em seu interior. Um dos fluidos de trabalho escoa pelo casco e o outro fluido, pelos tubos do feixe. A troca térmica é realizada através das paredes dos tubos. Os componentes principais deste equipamento são o casco, o feixe de tubos e os cabeçotes de entrada e retorno. 
O projeto de um casco e tubo compreende duas etapas distintas: o projeto térmico e o projeto mecânico. No projeto térmico, o trocador é dimensionado e a troca de calor e perda de carga, quantificadas. Nesta etapa, os principais parâmetros de construção como o tipo e diâmetro do casco, espessura da parede, diâmetro externo e comprimento dos tubos e o espaçamento entre as chicanas são determinados. No projeto mecânico, cálculos detalhados são realizados a fim de dimensionar componentes como espelhos e flanges.
As propriedades mecânicas específicas de um trocador tipo casco e tubo têm grande impacto em sua performance térmica porque afetam diretamente o fluxo no trocador e consequentemente a transferência de calor. A Tubular Exchanger Manufacture's Association (TEMA), associação americana de fabricantes de permutadores, estabeleceu normas que delimitam as propriedades geométricas dos 2 trocadores de calor. Por serem universalmente aceitas, as definições da norma TEMA serão usadas sempre que possível.
TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO
2.1 – PROJETO DE TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBO
São trocadores amplamente utilizados em processos industriais (aquecimento, resfriamento, evaporação ou vaporização e condensação de todas as espécies de fluidos), quando se necessita de grandes áreas para transmissão de calor. Consiste de tubos paralelos, por onde circula um dos fluidos, montados num casco cilíndrico, no qual circula o outro fluido. 
Tem vantagens em termos de fabricação, custos e desempenho térmico. Podem ser construídos com grandes superfícies de troca de calor em um volume relativamente pequeno, apresentando grande flexibilidade nas condições de projeto e operação (ampla faixa de temperatura e pressão). 
O projeto completo de um trocador de calor pode ser divido em três partes principais, análise térmica que se preocupa principalmente com a determinação da área necessária à transferência de calor para dadas condições de temperaturas e escoamentos dos fluidos. Projeto Mecânico Preliminar que envolve considerações sobre as temperaturas e pressões de operação, as características de corrosão de um ou de ambos os fluidos, as expansões térmicas relativas e tensões térmicas e, a relação de troca de calor.
 Projeto de Fabricação que requer a translação das características físicas e dimensões em uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo (seleção dos materiais, selos, involucros e arranjo mecânico ótimos), e os procedimentos na fabricação devem ser especificados.
Os projetos de trocadores de calor, suas características, fabricação e materiais vai de acordo com a NORMA TEMA classificadas em: classe R condições severas de processamento de petróleo, CLASSE C condições moderadas de operação, aplicação comercial de refrigeração; CLASSE B serviços de processamento químico.
1.2 – COMPONENTES BÁSICOS DE UM TROCADOR DE CALOR
Trocador de calor casco e tubo é composto basicamente por (01) casco, (01) feixe de tubos, (02) espelhos, (05) defletores, (01) cabeçote composto por carretel e tampa, (06) tirantes
Figura 01 – PROJETO TROCADOR DE CALOR
Fonte: Transcalor (2018)
Defletores ou chicanas conduzem o escoamento do fluido de forma ora cruzado, ora paralelo, o que ocasiona certa turbulência e um maior de tempo de residência do fluido do casco, levando a um aumento da transferência de calor e ajudam a suportar os tubos no interior do casco, evitando a flexão dos mesmos orifícios anulares, disco e anel e seguimento.
Figura 2 – TIPOS DEFLETOR DO TROCADOR DE CALOR
Fonte: Refrio (2018)
São usados em trocadores de calor casco e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. Eles correm perpendicularmente ao caso e mantém coeso e fixo o feixe de tubos, evitando que os tubos de vergarem ao longo de um comprimento longo. Eles também podem impedir que os tubos vibrem excessivamente. 
O tipo mais comum de chicana é a chicana segmentar. As chicanas segmentares semicirculares são orientadas a 180 graus para as chicanas adjacentes forçando o líquido a fluir para cima e para baixo entre o feixe de tubos. Chicanas de espaçamento são de grande importância termodinâmica no projeto de trocadores de calor de casco e tubo. 
Chicanas devem ser espaçadas, tendo em consideração para a conversão da queda de pressão e transferência de calor. Para a otimização térmica e econômica é sugerido que as chicanas sejam espaçadas não mais de 20% do diâmetro interno do casco. Tendo-se chicanas espaçadas muito próximas provoca-se uma maior queda de pressão por causa do redirecionamento de fluxo. Consequentemente com as chicanas espaçadas significa que pode haver regiões mais frias nos cantos entre as chicanas. 
Existem dois tipos de cabeçotes, o cabeçote estacionário que é ligado ao feixe de tubos e serve para admissão ou admissão e descarga do fluido dos tubos, já o outro tipo é o cabeçote de retorno que dá o acabamento ao casco ou descarga do fluido dos tubos.
Figura 3 – TIPOS DE CABEÇOTE
Fonte: Resfrio (2018)
Os cabeçotes estacionários são classificados em tipo A e B que podem ser removidos sem a remoção dos tubos e os tipos A e C permitem inspeção dos tubos sem a remoção do cabeçote. Cabeçote de retorno espelho fixo dos tipos L, M e N são iguais aos cabeçotes estacionários A, B e C e o cabeçote flutuante ou tubo em U são usados quando há um grande diferencial de temperatura entre os fluidos e torna-se necessário prover o trocador para dilatação do feixe de tubos (P, S e T).
Para confecção dos feixes de tubos, são usados tubos lisos de diâmetros padrões 3/4", 1”, 1 1/4", 1 1/2" e 2” de comprimentos padrões 8, 10, 12, 16 e 20 ft. Os tubos aletados tem sua superfície ampliada dos tubos vai depender do espaço, limpeza, manutenção, corrosão e custo. Suas aletadas são classificadas segundo em orientação das aletas, transversais ou longitudinaisem relação ao tubo base e alturas de acordo com o tubo, tubo de alta aleta ou tubo de baixa aleta.
O arranjo de tubos no espelho tem se o máximo de tubos numa dada seção transversal, arranjo de 30º ou passo triangular, são para fluido do casco limpo ou quando as incrustações podem ser removidas por tratamento químico e tem maior perda de carga que o arranjo quadrado (45º).
Figura 4 – ARRANJO DE TUBOS 45º
Fonte: CEFET-BA (2016)
O arranjo de 45º ou passo quadrado girado são para fácil limpeza mecânica externa e tem coeficientes de transferência de calor menores que o triangular. Já o arranjo 90º ou passo quadrado é indicado para regimes de escoamento turbulento quando baixa perda de carga é desejada.
TIPOS DE TROCADORES DE CALOR
3.1 CLASSIFICAÇÃO QUANTO UTILIZAÇÃO 
Os trocadores de calor são designados por termos correspondentes às modificações que realizam nas condições de temperatura ou estado físico do fluido de processo. No caso de o equipamento operar com dois fluidos de processo, prevalece, se possível, a designação correspondente ao serviço mais importante. 
Através deste critério, os trocadores de calor são classificados como resfriador, refrigerador, condensador, aquecedor, vaporizador e evaporador. 
O resfriador ou cooler, tem como função resfriar o liquido ou gás por meio de água, ar ou salmoura. O refrigerador ou chiller, resfria também um fluido de processo, porém, através da evaporação de um fluido refrigerante, como amônia, propano ou hidrocarbonetos clorofluorados.
Condensador ou condenser, retira calor de um vapor até sua condensação parcial ou total, podendo inclusive sub resfriar um liquido condensado. O termo condensador de superfície, aplica-se ao condensador de vapor exausto de turbinas e máquinas de ciclos térmicos. 
Aquecedor ou Heater, aquece o fluido de processo, utilizando em geral o vapor d’água ou fluido térmico. O trocador de vaporização ou vaporizer, cede calor ao fluido de processo vaporizando total ou parcialmente através de circulação natural ou forçada. O termo refervedor ou reboiler aplica-se ao vaporizador que opera conectado a uma torre de processo, vaporizando o fluido processado. O termo gerador de vapor steam generator aplica-se ao vapozirador que gera vapor d’água, aproveitando calor excedente de um fluido de processo.
O evaporador ou evaporator, promove concentração de uma solução pela evaporação do liquido, de menor ponto de ebulição.
1.3 CLASSIFICAÇÃO QUANTO Á FORMA CONSTRUTIVA
Trocadores tipo casco e tubo (shell and tube) são e Equipamentos constituídos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um casco, normalmente cilíndrico, circulando um dos fluidos externamente ao feixe e o outro pelo interior dos tubos. Os componentes principais dos trocadores tipo casco e tubo são representados pelo cabeçote de entrada, casco, feixe de tubos e cabeçote de retorno ou saída.
Trocadores especiais, em face das inúmeras aplicações específicas dos trocadores de calor, são encontradas várias formas construtivas que não se enquadram nas caracterizações comuns (casco e tubo, tubo duplo, serpentina, trocador de placas, resfriadores de ar, rotativos regenerativos, economizadores, etc). Para estes tipos, é atribuída a classificação de “ESPECIAIS”, dada a sua peculiaridade de construção, em decorrência da aplicação.
Figura 5 – TROCADOR DE CALOR DE CORRENTES 
Fonte: CEFET-BA (2016)
Consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaça de tal arranjo. Um dos fluidos escoa dentro do tubo interno e outro através do espaço anular entre os dois tubos, uma vez que ambas as correntes de fluidos atravessam o trocador apenas uma vez, chamamos tal arranjo de trocador de calor de passo-simples. Se ambos os fluidos escoam na mesma direção, o trocador é chamado do tipo correntes paralelas; se os fluidos se movem em direções opostas, o trocador é do tipo correntes opostas. 
A diferença de temperatura entre o fluido quente e o frio, em geral varia ao longo do tubo e, a razão de transferência de calor variará de seção para seção. Para determinar a razão de transferência de calor deve-se usar, desta forma, uma diferença de temperatura média apropriada. Quando os dois fluidos que escoam ao longo da superfície de troca de calor se movem com ângulos retos entre si, o trocador de calor é denominado do tipo correntes cruzadas. Três arranjos distintos, deste tipo de trocador são possíveis.
Primeiro caso, cada um dos fluidos não se mistura ao passar através do trocador e, desta forma, as temperaturas dos fluidos na saída do trocador não são uniformes, apresentando-se mais quente em um lado do que no outro. A aquecedor do tipo placa plana, projetado para ser utilizado como regenerador, utilizando a energia dos gases de descarga de uma turbina ou um radiador de automóvel, aproxima-se deste tipo de trocador.
Segundo caso, um dos fluidos não se mistura e outro é perfeitamente misturado ao atravessar o trocador. A temperatura do fluido misturado será uniforme em cada seção e, somente variará na direção do escoamento. Um exemplo deste tipo é o aquecedor de ar de corrente cruzada, mostrado esquematicamente abaixo. O ar que escoa através de uma bancada de tubos é misturado, enquanto que os gases no interior dos tubos estão confinados e, desta forma, não se misturam.
Terceiro caso, ambos os fluidos são misturados enquanto escoam através do trocador, isto é, a temperatura de ambos os fluidos será uniforme ao longo da seção e variará apenas na direção do escoamento.
REFERÊNCIAS
Apostila do Curso de Transferência de Calor
KREITH, F e BOHN, M. S. Princípios de transferência de calor. Thonsom Pioneira.
BEJAN, A. Transferência de calor. Edgard Blucher.
GHIZZE, A. Manual de trocadores de calor, vasos e tanques. IBRASA.