7 - capítulo 5 - projeto termo-hidráulico de trocadores de calor tipo casco e tubos - parte i

CAPTULO 5

PROJETO TERMO-HIDRULICO DE TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS

Este captulo uma introduo ao tema do projeto termo-hidrulico de trocadores de calor, tratando das opes e decises que devem ser tomadas a cada etapa do projeto. As informaes se restringem a trocadores do tipo casco e tubo, sem mudana de fase, que constituem a grande maioria dos trocadoras utilizados industrialmente e. para os quais, h uma maior quantidade de dados disponveis.

Inicialmente so fornecidas informaes relativas as condies de projeto a que estar submetido o trocador e na seqncia desenvolvido o dimensionamento da unidade, incluindo os balanos trmico e de massa, e perda de carga.

5.1 PROJETO TRMICO CONDIES DE PROCESSO Embora os equipamentos de troca trmica possam as vezes serem adquiridos de

acordo com os padres de fabricantes, a grande maioria dos trocadores, principalmente aqueles utilizados em indstrias de processo, so especificamente projetados e construdos tendo em vista o tipo de servio a que se destinam.

O ponto de partida para o projeto trmico de um trocador de calor esta exatamente em se determinar as condies de processo as quais estar submetido o trocador, durante toda a sua vida til.

Os trocadores de calor so geralmente designados pelo tipo de servio a que se propem. Dois trocadores de mesmo tipo construtivo podem receber diferentes designaes. O ponto de referncia para a designao sempre o fluido principal, ou seja, aquele fluido para o qual se reservou uma posio de destaque dentro do processo global. Assim, temos os condensadores, resfriadores, aquecedores, evaporadores, vaporizadores e geradores de vapor.

Os Condensadores so trocadores nos quais um vapor de processo , total ou parcialmente, convertido fase lquida. Normalmente o agente condensante utilizado gua de resfriamento.

Os Resfriadores/Aquecedores so trocadores de calor em que um fluido de processo resfriado/aquecido sem mudana de fase, utilizando normalmente como agente resfriador/aquecedor gua, ar ou vapor d'gua.

Os Evaporadores so trocadores designados com o fim principal de concentrar solues aquosas atravs da evaporao de uma parcela da gua da soluo.

Os Vaporizadores so trocadores com a finalidade principal de converter lquidos em vapores. Como tipos especiais de vaporizadores existem os refervedores que se constituem na principal fonte de suprimento de calor de vaporizao para a maioria das torres de destilao, e as caldeiras de recuperao.

Os Refervedores tendo em vista as condies de processo, podem atuar como vaporizadores totais ou parciais. No primeiro caso o fluido do fundo da torre passa atravs do refervedor, totalmente vaporizado e retorna torre. Neste caso o equipamento chamado de

Equipamentos de Troca Trmica - 96

refervedor tipo caldeira. No caso de vaporizao parcial, retorna torre uma mistura liquido+vapor. Se o retorno se d devido a diferena de densidades entre o fluido do fundo da torre e a mistura lquido+vapor, o equipamento chamado refervedor tipo termosifo. Se o retorno torre feito atravs de bombeamento, o equipamento ser designado como refervedor de circulao forada.

As caldeiras de recuperao tem, geralmente, a finalidade de aproveitar excedentes de energia trmica, disponveis em correntes gasosas, geradas no processo. Tal como os refervedores podem ser do tipo caldeira, termosifo ou de circulao forada.

Normalmente, o projeto trmico de um trocador de calor inicia com o preenchimento preliminar de uma folha de dados, mostrada na Figura 5.l, completada posteriormente aps a definio do tipo construtivo e do projeto trmico do trocador. Esta folha de dados, juntamente com os desenhos do fabricante, fazem parte da documentao do equipamento.

A seguir so discutidos os itens integrantes de uma folha de dados, relacionados com as condies de processo do trocador de calor.

5.1.1 TEMPERATURAS DE OPERAO As temperaturas de operao dos fluidos de um trocador de calor so, usualmente, determinadas pelas condies de processo. Entretanto, em certos casos, o projetista do trocador quem dever definir as temperaturas de operao.

No caso do fluido principal, ou seja, o fluido de processo propriamente dito, as condies de vazo e temperaturas de entrada e sada so perfeitamente definidas pelo processo. As condies de operao do outro fluido dependero de vrios fatores. Por. exemplo, no caso de resfriadores utilizando gua como fluido refrigerante, a temperatura de entrada da gua depender de sua disponibilidade, podendo ser proveniente de fontes naturais, ou de torres de resfriamento. Para a temperatura de sada da gua, existem certos limites ligados, por exemplo, a problemas de corroso nos materiais utilizados nos trocadores, ou mesmo pela capacidade instalada das torres de resfriamento, no permitindo temperatura elevada na sada da gua.

Para a gua salgada e gua doce costuma-se adotar como temperaturas mximas recomendveis, 50 a 55 C (120 a 130 F), respectivamente. Assim, como exemplo, pode-se ter casos em que a quantidade de fluido refrigerante que circula num trocador definida em funo da carga trmica do fluido de processo e das temperaturas de entrada e sada do fluido refrigerante.

Deve-se ter sempre em mente que das temperaturas de operao e das caractersticas dos fluidos, depender a escolha dos materiais a serem utilizados na construo do trocador.

5.1.2 PROPRIEDADES FSICAS DOS FLUIDOS O conhecimento das propriedades fsicas do s fluidos em escoamento pelo trocador de

calor muito importante para o projeto termo-hidrulico do equipamento.

As propriedades fsicas mais importantes, as vezes difceis de serem encontradas, so a viscosidade e condutividade trmica. As outras propriedades necessrias, calor especfico e densidade, so mais conhecidas e oferecem maior confiabilidade.

Equipamentos de Troca Trmica - 97 FOLHA DE DADOS TROCADOR DE CALOR

CLIENTE: OPERAO No DO DOCUMENTO REV UNIDADE: Figura 5.1 FOLHA _______ DE __________ LOCAL: AUT._________ DATA ________ 1 SERVIO ITEM No QUANT. 2 DIMENSO TIPO LIGADOS EM 3 SUPERF./UNIDADE CASCO/UNIDADE SUPERF./CASCO 4 CARACTERSTICAS DE UMA UNIDADE 5 LADO DO CASCO LADO DOS TUBOS 6 FLUIDO EM CIRCULAO 7 QUANTIDADE TOTAL FLUIDO ENT (kg/h) 8 VAPOR (kg/h) 9 LQUIDO (kg/h) 10 VAPOR DE GUA (kg/h) 11 NO CONDENSVEIS (kg/h) 12 FLUIDO VAPORIZ. OU CONDENS. (kg/h) 13 VAPOR CONDENSADO (kg/h) 14 DENSIDADE DO LQUIDO 15 VISCOSIDADE ENT. E SADA ( cp ) 16 PESO MOLECULAR DO VAPOR 17 CALOR ESPECFICO DO LQUIDO (kJ/kg.C) 18 CALOR LATENTE (kJ/kg) 19 CONDUTIVIDADE TRMICA ( W/m.C) 20 TEMPERATURA ENTRADA ( C) 21 TEMPERATURA SADA ( C) 22 PRESSO DE OPERAO (bar man.) 23 No DE PASSES POR CASCO 24 VELOCIDADE DE CIRCULAO ( m/s) 25 QUEDA DE PRESSO (bar) CALC: PERM: CALC: PERM: 26 FATOR INCRUSTAO ( m 2.C/ W) 27 CALOR TROCADO (kW) MLDT (CORRIGIDA) ( C) 28 RENDIMENTO SERVIO ( ) LIMPO 29 DETALHES DE CONSTRUO E MATERIAIS 30 PRESSO DE PROJETO (bar man.) 31 PRESSO DE TESTE (bar man.) 32 TEMPERATURA DE PROJETO ( C) 33 TUBOS QUANT D.E. BWG COMP PASSO 34 CASCO D.E D.I. ESPESS. 35 TAMPO DO CASCO TAMPO DO CABEOTE FLUTUANTE 36 CARRETEL TAMPO DO CARRETEL 37 ESPELHO FIXO ESPELHO FLUTUANTE 38 CHICANAS TRANSVERSAIS PASSO TIPO ESPESS. 39 CHICANAS LONGITUDINAIS TIPO ESPESS. 40 SUPORTES DOS TUBOS ESPESS. No TIRANTES 41 JUNTAS DE VEDAO JUNTAS DE VEDAO SOBRESSALENTES 42 CONEXES DO CASCO - ENTRADA SADA TIPO 43 CONEXES DO CARRETEL - ENTRADA SADA TIPO 44 TOL. P/ CORROSO: LADO DO CASCO LADO DOS TUBOS 45 CDIGOS: ANEL DE TESTE 46 PESOS: CASCO FEIXE TUBULAR CHEIO DGUA 47 FABRICANTE: 48 DESENHOS DE CONJUNTO OBSERVAES: 1) GARANTIA QUANTO AO DESEMPENHO DA UNIDADE RESPONSABILIDADE DO FABRICANTE ESTE DOCUMENTO FAZ PARTE DA REQUISIO

REV DATA POR VER APROV DESCRIO REV DATA POR VER APROV DESCRIO


Sempre que possvel, deve-se procurar conhecer as propriedades dentro da faixa de temperaturas que englobe as temperaturas de operao dos fluidos, pois no clculo trmico dos trocadores, utilizam-se os valores das propriedades fsicas nas temperaturas mdias dos fluidos em circulao.

5.1.3 PERDAS DE CARGA ADMISSVEIS E VELOCIDADES DE CIRCULAO O trocador de calor como parte integrante de um sistema participa, obviamente no balano econmico da planta. Do ponto de vista trmico seria conveniente o uso de velocidades elevadas de circulao dos fluidos no trocador, com o conseqente aumento do coeficiente global de transmisso de calor e, portanto, uma diminuio da rea necessria de troca trmica, o que significaria trocadores de dimenses menores. Entretanto, altas velocidades implicam em grandes perdas de carga, o que significa elevados investimentos em bombas e compressores para o sistema. Deve-se aproveitar ao mximo as perda de carga disponveis, visando diminuir o custo do trocador pela diminuio de suas dimenses.

As perdas de carga normalmente recomendadas variam conforme o tipo de fluido:

Para gases e vapores costuma-se adotar valores entre 0,15 a 0,7 bar para presses de operao intermedirias e altas.

Para gases e vapores operando em vcuo, ou presses prximas da atmosfera costuma-se adotar valores entre 0,02 a 0,15 bar.

Para lquidos os valores admissveis so mais elevados, variando entre 0,7 a 1,7 bar. Paralelamente s perdas de carga, as velocidades de circulao tambm tem seus limites.

As velocidades mnimas so definidas tendo em vista evitar problemas de deposio de slidos que possam ocorrer nos fluidos de trabalho. As velocidades mximas so definidas tendo em vista minimizar os problemas de eroso e corroso. Para lquidos costuma-se adotar velocidades mximas de 3 a 4,5 m/s, e para velocidade mnima 0,9 m/s, sendo normal a utilizao de 1,5 a 1,8 m/s.

Para gases ou vapores as velocidades recomendadas so bem maiores, sendo normais a utilizao de velocidades de 25 a 30 m/s.

5.1.4 FATORES DE INCRUSTAO Os fatores de incrustao levam em conta resistncias adicionais passagem do fluxo

de calor de um fluido para outro, sendo formadas por deposio de sujeiras ou lamas, polimerizao dos prprios fluidos de trabalho, e outros depsitos, tanto na parede interna como na parede externa dos tubos do trocador de calor, em regime normal de servio. Os valores utilizados para fatores de incrustao no projeto de um trocador devem representar a resistncia trmica esperada durante a operao normal do trocador de calor, que permitem um razovel tempo de servio entre uma limpeza e outra.O cdigo TEMA apresenta valores para os fatores de incrustao de vrios tipos de fluidos (Tabela 5.1). Os valores tabelados pelo TEMA, asseguram em princpio o desempenho do trocador, isto , a carga trmica para a qual foi projetado durante um perodo de 1 ano a 1,5 anos. Entretanto as tabelas so apenas indicativas e, na existncia de dados especficos que permitam melhor avaliao dos fatores de incrustao, estes devem ser utilizados.


A importncia real dos fatores de incrustao depende do valor do coeficiente global de troca trmica para o trocador limpo Ul. Quanto maior este coeficiente mais importante ser o efeito do fator de incrustao.

Tabela 5.1- Resistncias de depsito Resistncias de depsito para gua W

CmRo

d.2

Temperatura do fluido quente At 115 C 115 C a 200 C * Temperatura da gua 50 C ou menos mais de 50 C

Velocidade da gua (m/s) Velocidade da gua (m/s)

Tipos de gua 3 e menor Maior que 3 3 e menor Maior que 3

gua do mar 0,0001 0,0001 0,00018 0,00018

gua salobra 0,00035 0,00018 0,00053 0,00035

Torre de resfriamento e tanque de nebulizao artificial

gua tratada 0,00018 0,00018 0,00035 0,00035

gua sem tratamento 0,00053 0,00053 0,0001 0,0007

gua potvel de cidade ou gua de poo 0,00018 0,00018 0,00035 0,00035

gua de rio

Mnimo 0,00035 0,00018 0,00053 0,00035

Mdio 0,00053 0,00035 0,0007 0,00053

gua lamacenta ou lodosa 0,00053 0,00035 0,0007 0,00053

gua dura (acima de 0,25 gramas/litro) 0,00053 0,00053 0,0001 0,0001

gua de resfriamento de motores 0,00018 0,00018 0,00018 0,00018

gua destilada ou ciclo fechado de condensado

0,0001 0,0001 0,0001 0,0001

gua tratada para alimentao de caldeira 0,00018 0,0001 0,00018 0,00018

gua da descarga de fundo de caldeiras 0,00035 0,00035 0,00035 0,00035 *Avaliaes nas colunas 3 e 4 esto baseadas em uma temperatura mdia do fluido quente entre 115 C a 200 C. Se a temperatura mdia do fluido quente for maior que 200 C e o fluido frio conhecido, esta avaliao deve ser modificada adequadamente.

Resistncias de depsito para fluido industriais WCmR

od

.2 leos

leo combustvel 0,0001

leo de transformador 0,00018

leo lubrificante 0,00018

leo de tmpera 0,0007

leo vegetal 0,00054

Gases e Vapores

Gs de coque de forno, gs de fbrica 0,0018


Gs de descarga de motores diesel 0,0018

Vapores orgnicos 0,0001

Vapor (mancal isento de leo) 0,0001

Vapor exausto (mancais com leo) 0,00018

Vapor de fluido refrigerante (isento de leo) 0,00035

Ar comprimido 0,00035

Fluidos trmicos industriais (orgnicos) 0,00018

Lquidos

Fluidos refrigerantes 0,00018

Fluido hidrulico 0,00018

Fluidos trmicos industriais (orgnicos) 0,00018

Salmoura 0,00018

Resistncias de depsito para processo de substncia qumica W

CmRo

d.2

Gases e vapores

Gs cido 0,00018

Vapores de solventes 0,00018

Produtos do topo estveis 0,00018

Lquidos

Produtos do fundo 0,00018

Solues custicas 0,00035

leos vegetais 0,00053

Resistncias de depsito para processo de gasolina e gs natural W

CmRo

d.2

Gases e vapores

Gs natural 0,00018

Produtos do topo 0,00018

Lquidos

leo pobre 0,00035

leo rico 0,00018

Gasolina natural & Gs liquefeito de petrleo 0,00018


Resistncias de depsito para processo em refinaria de petrleo WCmR

od

.2 leo cru & Unidades de vcuo - Gases e vapores

Torre atmosfrica vapores do topo 0,00018

Naftas leves 0,00018

Torre a vcuo vapores do topo 0,00035

leo cru & Unidades de vcuo Lquidos WCmR

od

.2 0 a 99 C 100 a 150 C

Velocidade (m/s) Velocidade (m/s)

Menor que 0,6

0,6 a 1,2 Maior que 1,2

Menor que 0,6

0,6 a 1,2 Maior que 1,2

Seco 0,00053 0,00035 0,00035 0,00053 0,00035 0,00035

Salgado* 0,00053 0,00035 0,00035 0,0001 0,0007 0,0007 *Refere-se a um leo bruto mido qualquer leo bruto que no tenha sido desidratado

150 a 259 C Acima de 260 C Velocidade (m/s) Velocidade (m/s)

Menor que 0,6

0,6 a 1,2 Maior que 1,2

Menor que 0,6

0,6 a 1,2 Maior que 1,2

Seco 0,0007 0,00053 0,00035 0,0001 0,0007 0,00053

Salgado 0,001 0,0001 0,0007 0,00123 0,001 0,0001

Gasolina 0,00018

Nafta e destilados leves 0,00018

Querosene 0,00018

leo leve 0,00035

leo pesado 0,00053

leo combustvel 0,0001

Asfalto e resduo 0,0018 Destilao sob presso (cracking) W

CmRo

d.2

Vapores do topo 0,00035

leo leve 0,00035

leo pesado 0,00053

leo diesel leve 0,00053

leo diesel pesado 0,0007


leo (pasta semifluida do fundo) (1,4 m/s mnimo) 0,00053

Produtos lquidos leves 0,00035

Destilao cataltica, hidrocracking e hidrodesulforizao WCmR

od

.2 Carga 0,00035

Descarga 0,00018

Carga e Descarga 0,00035

Gs de reciculao 0,00018

Hidrodesulforizao (carga e descarga) 0,00035

Vapores do topo 0,00018

Produto lquido acima de 50A.P.I. 0,00018 Produto lquido entre 30 e 50A.P.I. 0,00035

Produtos leves do final do processo WCmR

od

.2 Vapores e gases do topo 0,00018

Produtos lquidos 0,00018

leos 0,00035

Fluxo cido 0,00035

Recirculao 0,00053

Alimentao 0,00053

A Figura 5.2 mostra o efeito dos fatores de incrustao sobre o valor do coeficiente global de projeto para um dado valor do coeficiente global limpo. Nota-se que para grandes valores de Ulimpo aumenta a influncia do fator de incrustao. Para estes casos deve-se verificar mais cuidadosamente os valores do fator de incrustao, sob pena de se superestimar a rea necessria de troca trmica para o equipamento.

De uma maneira geral, deve-se considerar no projeto de um trocador de calor que:

A incrustao normalmente suave a temperaturas abaixo de 120 C (250 F). A vaporizao num trocador de calor pode causar severa incrustao, devido a

concentrao das sujeiras no lquido.

Altas velocidades tendem a diminuir a incrustao. A incrustao mais severa, quando se aquece hidrocarbonetos do que quando eles

so resfriados.


10 100 1000 10000U limpo

10

100

1000

10000

U s

ujo

WCm o.2

0,0001 0,0003 0,0007 0,0010 0,0013 0,0015 0,0017 0,0020 0,0030 0,0040

Figura 5.2 Efeito da resistncia de depsito no coeficiente global de troca trmica.

5.1.5 LOCAO DOS FLUIDOS NO TROCADOR Aps o conhecimento das condies de processo do trocador de calor a etapa seguinte

consiste na locao dos fluidos no casco ou nos tubos, dependendo de suas caractersticas.

Levando em conta fatores econmicos e a facilidade de manuteno e limpeza, o fluido com a caracterstica em posio mais alta na lista seguinte geralmente, locado dentro dos tubos:

gua de resfriamento. fluidos corrosivos, ou fluidos que possam provocar depsitos e incrustaes. o fluido menos viscoso. o fluido operando temperatura e presso mais elevadas. o fluido com menor vazo. vapores de gua condensando; no entanto, para outros vapores, d-se preferncia sua

circulao pelo casco.

se a diferena entre as temperaturas de entrada e sada de um fluido for muito elevada (maior que 150 C), este fluido usualmente circular pelo casco, se houver mais que um passe no lado dos tubos. Este procedimento minimizar os problemas de construo, causados por expanso trmica.

5.1.6 FOLHA DE DADOS - CONDIES DE PROCESSO A Figura 5.3 mostra uma folha de dados preenchida com s condies de processo para um trocador de calor cujo objetivo resfriar uma certa vazo de gasolina com gua de resfriamento. a


CLIENTE: OPERAO No DO DOCUMENTO REV UNIDADE: Figura 5.3 FOLHA _______ DE __________ LOCAL: AUT._________ DATA ________ 1 SERVIO ITEM No QUANT. 2 DIMENSO TIPO LIGADOS EM 3 SUPERF./UNIDADE CASCO/UNIDADE SUPERF./CASCO 4 CARACTERSTICAS DE UMA UNIDADE 5 LADO DO CASCO LADO DOS TUBOS 6 FLUIDO EM CIRCULAO Gasolina gua de resfriamento 7 QUANTIDADE TOTAL FLUIDO ENT (kg/h) 22 695 97 545 8 VAPOR (kg/h) 9 LQUIDO (kg/h) 10 VAPOR DE GUA (kg/h) 11 NO CONDENSVEIS (kg/h) 12 FLUIDO VAPORIZ. OU CONDENS. (kg/h) 13 VAPOR CONDENSADO (kg/h) 14 DENSIDADE DO LQUIDO 0,720 / 0,781 0,996 / 0,998 15 VISCOSIDADE ENT. E SADA ( cp ) 0,25 / 0,50 0,80 / 0,60 16 PESO MOLECULAR DO VAPOR 17 CALOR ESPECFICO DO LQUIDO (kJ/kg.C) 2,17 4,17 18 CALOR LATENTE (kJ/kg) 19 CONDUTIVIDADE TRMICA ( W/m.C) 0,12 / 0,13 0,58 20 TEMPERATURA ENTRADA ( C) 104 30 21 TEMPERATURA SADA ( C) 38 38 22 PRESSO DE OPERAO (bar man.) 6,0 4,0 23 No DE PASSES POR CASCO 24 VELOCIDADE DE CIRCULAO ( m/s) 25 QUEDA DE PRESSO (bar) CALC: PERM: 0,5 CALC: PERM: 0,7 26 FATOR INCRUSTAO ( m 2.C/ W) 27 CALOR TROCADO (kW) 2 004 MLDT (CORRIGIDA) ( C) 28 RENDIMENTO SERVIO ( ) LIMPO 29 DETALHES DE CONSTRUO E MATERIAIS 30 PRESSO DE PROJETO (bar man.) 31 PRESSO DE TESTE (bar man.) 32 TEMPERATURA DE PROJETO ( C) 33 TUBOS QUANT D.E. BWG COMP PASSO 34 CASCO D.E D.I. ESPESS. 35 TAMPO DO CASCO TAMPO DO CABEOTE FLUTUANTE 36 CARRETEL TAMPO DO CARRETEL 37 ESPELHO FIXO ESPELHO FLUTUANTE 38 CHICANAS TRANSVERSAIS PASSO TIPO ESPESS. 39 CHICANAS LONGITUDINAIS TIPO ESPESS. 40 SUPORTES DOS TUBOS ESPESS. No TIRANTES 41 JUNTAS DE VEDAO JUNTAS DE VEDAO SOBRESSALENTES 42 CONEXES DO CASCO - ENTRADA SADA TIPO 43 CONEXES DO CARRETEL - ENTRADA SADA TIPO 44 TOL. P/ CORROSO: LADO DO CASCO LADO DOS TUBOS 45 CDIGOS: ANEL DE TESTE 46 PESOS: CASCO FEIXE TUBULAR CHEIO DGUA 47 FABRICANTE: 48 DESENHOS DE CONJUNTO OBSERVAES: 1) GARANTIA QUANTO AO DESEMPENHO DA UNIDADE RESPONSABILIDADE DO FABRICANTE ESTE DOCUMENTO FAZ PARTE DA REQUISIO



5.2 PROJETO TRMICO - DEFINIES PRELIMINARES Uma vez definidas as condies de processo a que sero submetidos os trocadores, seu

dimensionamento se resume na determinao do menor trocador que satisfaa a carga trmica exigida pelas condies de processo, atendendo s limitaes de perdas de carga admissveis.

Para isto, o engenheiro tem sob seu controle uma srie de opes e alternativas.

Apesar do cdigo TEMA conter, basicamente recomendaes e exigncias para o projeto mecnico de trocadores de calor casco e tubo, vrias destas recomendaes e exigncias influem diretamente no projeto trmico dos trocadores.

5.2.1 TIPOS CONSTRUTIVOS PARA TROCADORES CASCO E TUBO Para a identificao do arranjo mecnico de um trocador utilizam-se trs letras padronizados pelo TEMA, correspondendo aos tipos construtivos para as partes dianteira, intermediria e traseira dos trocadores. Assim temos da Figura 5.4:

cabeote estacionrio: letras de A a D,

casco: letras de E a X

cabeote traseiro: letras de L a W

5.2.1.1 Cabeote Estacionrio: Tipo A

Neste tipo tanto o carretel como sua flange so removveis. Este tipo pode ser utilizado em projetos de trocadores com espelhos fixos, tubos em U ou feixe de tubos removvel. Este o tipo de cabeote mais utilizado permitindo a limpeza dos tubos sem a necessidade da remoo das tubulaes conectadas ao trocador

Tipo B

Este.tipo de cabeote com fundo abaulado, usado para projeto de trocadores com espelho fixo, tubos em U ou feixe removvel. Neste caso, a menos que se utilize limpeza qumica dos tubos, h necessidade de se retirar todo o cabeote desconectando-o das tubulaes externas.

Tipo C

Este tipo de cabeote com flange de abertura removvel integral com o espelho do trocador. Embora possa ser utilizado em trocadores com tubos em U ou com feixe removvel, este tipo no normalmente encontrado devido a dificuldades de manuteno.

Tipo N

Neste tipo, o carretel integral com o casco e utilizado para trocadores com espelhos fixos.


Figura 5.4 Designao do TEMA para trocadores de calor. (de Perry, 1980)

Tipo D

Este um tipo especial de carretel usado para presses de projeto da ordem de 70 bar. Neste caso o carretel e o espelho so integrais e de construo forjada.

5.2.1.2 Cabeote Traseiro A escolha do tipo de cabeote traseiro define o tipo de feixe tubular de um trocador.

Tipo L


de construo similar ao cabeote tipo A e usado para trocadores com espelho fixo.

Tipo M

de construo similar ao cabeote tipo B, usado para trocadores com espelho fixo.

Tipo N

de construo similar ao cabeote tipo C usado para trocadores com espelho fixo.

Tipo P

o tipo cabeote flutuante com caixa de gaxetas externa. A caixa de gaxetas sela o fluido do lado do casco enquanto permite que o cabeote flutuante se. mova para frente e para traz. Como a caixa de gaxetas est em contato somente com o fluido do casco, no h possibilidade de vazamento e mistura com o fluido do lado dos tubos.

Tipo S

o tipo cabeote flutuante com anel bipartido ("Split Ring"). construdo com um espelho flutuante entre um anel bipartido e a tampa do espelho, possibilitando ao espelho movimento em relao ao trocador. Dos trocadores com espelhos flutuantes o tipo S o mais utilizado.

Tipo T

O tipo "pull through" construdo com o espelho aparafusado diretamente a tampa do espelho.

Tipo U

Define que o feixe tubular construdo com tubos em U.

Tipo W

Este tipo emprega uma junta em forma de anel ao redor do espelho para selar os dois fluidos quando o espelho flutuante se move para frente e para traz. Este tipo no normalmente utilizado, devido a possibilidade de vazamento na junta, e nunca deve ser usado para trocadores operando com hidrocarbonetos ou fluidos txicos.

5.2.1.3 Casco Tipo E

Com um passe no lado do casco

Tipo F

Com dois passes no lado do casco, com uma chicana longitudinal


Tipo G

Fluxo bipartido

Tipo H

Fluxo duplamente bipartido

Tipo J

Fluxo dividido

Tipo K

Refervedor tipo caldeira

Tipo X

Fluxo cruzado

5.2.2 ESCOLHA DO TIPO CONSTRUTIVO

5.2.2.1 Tipos de Feixe Tubular 5.2.2.1.1 Trocadores tipo espelho fixo cabeote traseiro tipo L, M ou N. Os trocadores de espelho fixo tem os dois espelhos ligados diretamente ao casco do trocador e so os tipos mais econmicos, desde que atendidos alguns requisitos bsicos. Tendo em vista que os fluidos do casco e dos tubos de um trocador operam a temperaturas diferentes e que as vezes casco e tubos so fabricados a partir de diferentes materiais, haver diferenas nas expanses trmicas no casco e nos tubos.

Em alguns casos esta diferena de expanses trmicas to pequena que est perfeitamente dentro dos limites de tenses admitidas para os materiais de construo envolvidos.

De uma maneira geral pode-se escolher um trocador de espelho fixo quando a diferena entre a temperatura mdia no metal dos tubos e a temperatura mdia no metal do casco for menor do que 10C (50 F). Este valor indicativo, podendo variar dependendo dos materiais empregados na construo.

Obviamente, esta verificao depender do calculo trmico do trocador. Em alguns cacos possvel ter-se uma indicao preliminar quanto adequao do trocador tipo espelho fixo para um determinado servio. Para isto, basta analisar os fluidos de operao e suas caractersticas de troca trmica. Sempre que o coeficiente de pelcula de um dos fluidos for sensivelmente maior ou sensivelmente menor que o coeficiente de pelcula do outro h grandes possibilidades do trocador tipo espelho fixo ser utilizado (Tabela 5.2).

Se entretanto, a diferena de temperaturas acima definida superar os 50 F, providncias devero ser tomadas para compensar as diferentes expanses trmicas. Uma das solues encontradas para contornar o problema da expanso trmica em trocadores com espelhos fixos a incorporao ao casco do trocador de uma junta de expanso (Figura5.4) que permite a este contrair ou expandir-se longitudinalmente de acordo com a solicitao.


Outras solues que podem ser adotadas so: utilizao de trocadores com tubos em U, ou trocadores com espelho flutuante.

Figura 5.5 Trocador com junta de expanso no casco.

(de Perry, 1980)

Outros fatores importantes a serem considerados na escolha de um trocador tipo espelho fixo esto relacionados com as caractersticas de incrustao e corrosividade dos fluidos de operao.

Devido a problemas de manuteno, deve-se evitar a utilizao de trocadores de calor com espelhos fixos, quando existem dvidas quanto ocorrncia de corroso dos materiais selecionados, pelos fluidos de servio.

Este tipo de trocador pode ser considerado quando o fluido do casco limpo, isto , no forma depsitos, ou quando h disponibilidade e convenincia de se proceder a limpeza atravs de produtos qumicos.

Tabela 5.2- Coeficientes de pelcula

Lado do casco Lado dos tubos

LQUIDOS

leos, 20API Temperatura mdia 100 C 230 280 85 140 Temperatura mdia 150 C 400 - 500 100 200 Temperatura mdia 200 C 450 - 550 350 450 leos, 30API Temperatura mdia 65 C 400 - 500 100 200 Temperatura mdia 100 C 450 - 550 300 350 Temperatura mdia 150 C 620 - 750 550 650 Temperatura mdia 200 C 750 - 900 700 800 leos, 40API Temperatura mdia 65 C 450 - 550 300 350 Temperatura mdia 100 C 700 - 800 650 750


Temperatura mdia 150 C 850 - 950 800 900 Temperatura mdia 200 C 1000 - 1100 1000 1100 leos pesados 8 a 14API Temperatura mdia 150 C 110 - 170 60 110 Temperatura mdia 200 C 220 300 110 170

leo diesel 650 - 750 550 650

Querosene 800 - 900 800 850

Nafta pesada 800 - 900 750 800

Nafta leve 1000 1000

Gasolina 1100 1100

Hidrocarbonetos leves 1400 1400

lcoois e solventes orgnicos 1100 1100

gua, Amnia 4000 4000

Salmoura, 75% gua 2800 2800

VAPORES Lado do casco ou dos tubos

0,7 bar 3,5 bar 7 bar 20 bar 35bar

Hidrocarbonetos leves 140 340 570 950 1100

Hidrocarbonetos mdios e solventes orgnicos

140 400 600 100 1250

Vapores inorgnicos leves 80 170 340 570 700

Ar 75 140 290 500 570

Amnia 80 170 300 550 650

Vapor de gua 85 170 290 500 750

Hidrognio 100% 230 600 1100 2000 2400

Hidrognio 75% (vol) 200 450 850 1600 2000

Hidrognio 50% (vol) 170 400 750 1400 1750

Hidrognio 25% (vol) 140 300 600 1000 1500

VAPORES CONDENSANDO Lado do casco ou dos tubos

Vapor de gua 8500

Vapor de gua, 10% no condensveis 3400



Hidrocarbonetos leves puros 1400 1700

Mistura de hidrocarbonetos leves 1000 1400


Gasolina 850 1250

Mistura gasolina vapor de gua 1100

Hidrocarbonetos mdios 570

Hidrocarbonetos mdios com vapor de gua

700

Solventes orgnicos puros 1400

Amnia 3400

LQUIDOS EM EBULIO Lado do casco ou dos tubos

gua 8500

Solues de gua, 50% gua ou mais 3400

Hidrocarbonetos leves 1700

Hidrocarbonetos mdios 1100

Freon 2200

Amnia 4000

Propano 2300

Butano 2300

Aminas, lcoois 1700

Glicis 1100

Benzeno, Tolueno 1100

5.2.2.1.2 Trocadores com tubos em U

Quando um trocador de espelho fixo exigir para um determinado servio a utilizao de junta de expanso, pode ser mais econmico substitu-lo por um trocador com tubos em U.

Estes trocadores so relativamente simples, constituindo-se de apenas um espelho, no necessitando de junta de expanso, pois permite aos tubos expandirem-se individualmente, como mostra a Figura 5.6. O feixe tubular embora seja totalmente removvel do casco, apresenta o inconveniente de no permitir a substituio individual dos tubos, a no ser para os tubos externos ao feixe. As paredes externas dos tubos para este tipo de trocador podem ser facilmente limpas mecanicamente, mas com certa dificuldade nas partes curvas dos tubos. Isto no apresenta grandes problemas, tendo em vista que a rea de troca trmica dos equipamentos com tubos em U considera somente a poro reta dos tubos.

No se aconselha a utilizao de trocador com feixe tubular em U quando o fator de incrustao no lado dos tubos exceder o valor W

Cm o.00036,2

0 , devido aos problemas de

manuteno e limpeza que podem advir. Para fatores de incrustao menores pode-se utilizar tubos em U devido a possibilidade de limpeza por meios mecnicos, utilizando-se mandril de limpeza tipo flexvel.


Figura 5.6 Trocador com tubos em U.

(de Perry, 1980) 5.2.2.1.3 Trocadores com cabeote flutuante Para os trocadores com cabeotes flutuantes considerar-se- somente aqueles designados pelas letras T e S, j que nos tipos P e W as gaxetas tem a tendncia de apresentar vazamentos, permitindo aos fluidos escaparem para a atmosfera. Este dois ltimos tipos no devem nunca ser utilizados para hidrocarbonetos ou fluidos txicos.

CABEOTE FLUTUANTE PULL THROUGH" - TIPO T

O tipo "PULL THROUGH" possui um espelho fixo no carretel e um espelho flutuante ligado a um tampo na parte traseira, como mostra a Figura 5.7. O feixe tubular facilmente removido do casco, desmontando-se somente o carretel do cabeote estacionrio, j que o casco e a tampa do casco so de mesmo dimetro. Como deve ser reservado espao suficiente na periferia do espelho flutuante para acomodar as porcas dos parafusos de fixao, o dimetro do casco, neste tipo de trocador, para um mesmo nmero de tubos ser sempre maior que o utilizado num permutador tipo S, ou seja, cabeote flutuante com anel bipartido. Isto implica em uma grande folga entre o dimetro envolvendo o feixe tubular e o dimetro do casco, prejudicando o desempenho trmico do trocador, e requerendo o uso de fitas de selagem.

Figura 5.7 Trocador com cabeote flutuante tipo T.

(de Perry, 1980)

CABEOTE FLUTUANTE COM ANEL BIPARTIDO - TIPO S

Este tipo possui um espelho fixo no carretel e um espelho flutuante colocado entre um anel bipartido e uma tampa na parte traseira. O cabeote flutuante livre para se mover dentro da tampa do casco, que possui um dimetro maior que aquele do casco, podendo assim absorver os deslocamentos devido a expanso trmica (Figura 5.8). Para a remoo do feixe


tubular do casco, devem ser removidos tanto o carretel como a tampa do casco e o anel bipartido. Este tipo de construo permite que os tubos estejam bem prximos da parede interna do casco, o que se traduz numa maior eficincia trmica do trocador.

Figura 5.8 Trocador com cabeote flutuante tipo S.

(de Perry, 1980)

A utilizao de trocadores de calor com cabeote flutuante com anel bipartido no recomendvel quando a presso de projeto do lado dos tubos elevada (acima de 40 bar = 600 psi), devido possibilidade de vazamentos nas juntas do cabeote flutuante. Em termos de custo, o tipo cabeote flutuante com anel bipartido normalmente mais barato que o tipo T (pull through) quando se necessita utilizar materiais especiais para o espelho fixo, chicanas e cabeote flutuante.

Do ponto de vista de manuteno o tipo T mais vantajoso j que o feixe tubular pode ser removido sem que seja removida a tampa do casco.

5.2.2.2 Tipos de Casco 5.2.2.2.1 Casco com passe nico Tipo TEMA E.

O casco com passe nico o tipo de construo mais utilizado em trocadores de calor. Os bocais de entrada e sada do casco so localizados em extremidades opostas, podendo ser locados de um mesmo lado ou em lados opostos do casco dependendo do nmero de chicanas.

5.2.2.2.2 Casco com dois passes Tipo TEMA F. Trocadores com dois passes no lado do casco utilizam uma chicana longitudinal e sua utilizao tem certas limitaes. Com o objetivo de se evitar espessura excessiva da chicana longitudinal, este tipo no normalmente utilizado quando a perda de carga no casco elevada, isto , acima de 0,7 bar. Tambm deve ser evitada sua utilizao quando a diferena entre as temperaturas de entrada e sada do casco exceder cerca de l80 C, para evitar uma excessiva perda de calor do fluido de um dos passes para o outro atravs da chicana longitudinal, bem como evitar tenses trmicas na chicana, casco e espelho. A escolha entre um casco tipo E e outro tipo F depende das temperaturas iniciais e terminais dos fluidos de servio, o que ser visto no projeto trmico do trocador. Quando a escolha do tipo de casco, recai sobre o tipo F, devido a problemas construtivos inerentes a ele, geralmente opta-se pela utilizao de dois cascos tipo E em srie.


5.2.2.2.3 Casco com fluxo bipartido Tipo TEMA G. No trocador tipo G, o fluxo do casco dividido em dois na sua parte intermediria e cada metade atua como se fosse um casco tipo F. ou seja, casco com dois passes e chicana longitudinal.

5.2.2.2.4 Casco com fluxo duplamente bipartido Tipo TEMA H. No casco tipo H, existem duas entradas e duas sadas para o fluxo e cada metade do trocador opera como um casco tipo G.

5.2.2.2.5 Casco com fluxo dividido Tipo TEMA J. Um casco com fluxo dividido tem um bocal de entrada central e dois bocais de sada ou vice-versa. Neste tipo, no centro do bocal de entrada colocada uma chicana que divide o fluxo total em dois iguais. O nmero total de chicanas para este tipo, sempre impar, com cada uma das metades do casco tendo nmero par de chicanas.

Este tipo de casco, representa uma opo ao Tipo E, quando a perda de carga no lado do casco exigir a adoo de cascos tipo E em paralelo, tendo em vista que atravs de cada metade do casco estar circulando metade do fluxo total.

5.2.2.2.6 Casco tipo chaleira Tipo TEMA K. O casco tipo chaleira, utilizado somente para refervedores (reboilers) com vaporizao total, ou em evaporadores de planta de potncia, que utilizam o calor do vapor exausto das turbinas para produzir gua pura por destilao. Os feixes tubulares usados com o casco tipo chaleira podem ser tubos em U, cabeotes flutuantes ou com espelhos fixos.

5.2.2.2.7 Casco com fluxo cruzado Tipo TEMA X. O trocador de calor com casco tipo X, embora no seja normalmente utilizado, representa uma opo quando a perda de carga admissvel do lado do casco muito pequena. Um trocador de calor com casco tipo X, seria em primeira aproximao equivalente a diversos trocadores colocados em paralelo.

5.2.2.3 Posio dos Trocadores Normalmente, os trocadores de calor so posicionados horizontalmente, podendo entretanto ser posicionados verticalmente quando se deseja minimizar a deposio de slidos. Para os refervedores tipo termosifo utilizada a posio vertical com a vaporizao no lado dos tubos.

5.2.2.4 Consideraes Gerais A Tabela 5.3 apresenta recomendaes para a escolha do tipo do feixe tubular dos trocadores casco e tubo tendo em vista os fatores de incrustaes e o tipo de limpeza para o lado do casco do trocador.


Tabela 5.3- Recomendaes para escolha do tipo do feixe tubular

Incrustao (m.C/W) tubo casco

Tipo de Feixe Tubular

0,0004 > 0,0004 Tubos em U ou cabeote flutuante 0,0004 0,0004 Espelho fixo com limpeza qumica no lado do casco > 0,0004 > 0,0004 Cabeote flutuante > 0,0004 0,0004 Espelho fixo com limpeza qumica no lado do casco

5.2.3 TUBOS Embora seja possvel a utilizao de tubos com superfcies externas aletadas em trocadores tipo cascos e tubo, normalmente so utilizados tubos planos tendo em vista a sua fcil disponibilidade em vrios tipos de materiais e espessuras de paredes.

5.2.3.1 Dimenses dos Tubos 5.2.3.1.1 Comprimento O ponto mais importante na limitao do comprimento dos tubos de um permutador o disposio da instalao. No havendo problemas de assentamento na planta, o tamanho de tubo mais econmico para a maioria dos servios de refinaria de 6 metros (20 ps). Outro fator a ser levado em conta na determinao do comprimento dos tubos em trocadores a padronizao, tendo em vista a utilizao de menos tubos de reserva e do mesmo tipo de equipamento para limpeza. De acordo com o TEMA.so padronizados comprimentos de tubos de 2,5 3 3,6 4,8 e 6 m (8, 10, 12, 16 e 20 ps), embora tubos maiores possam ser utilizados.

5.2.3.1.2 Dimetro e espessura de parede dos tubos Para a maioria das aplicaes, costuma-se usar tubos de 3/4" e l" de dimetro externo. Dimetros de 1" so utilizados quando ocorrem problemas de perda de carga do lado dos tubos. Esta indicao refere-se a trocadores dentro da classe R do TEMA. Para trocadores das classes B e C permitido pelo TEMA a utilizao de tubos de at 1/4" de dimetro externo

As espessuras de parede dos tubos so padronizadas. O TEMA indica em funo do dimetro externo e dos materiais dos tubos as espessuras mais facilmente disponveis no mercado.

Como indicao, utilizam-se normalmente para fluidos com fatores de incrustaes pequenos (


Figura 5.9 Disposio dos tubos.

Nota: As setas so perpendiculares borda cortada das chicanas.

A disposio triangular ou triangular rodado o que d para o trocador, o menor custo por unidade de rea, j que possibilita um menor dimetro do casco para uma mesma rea de troca trmica. Entretanto, em termos de manuteno de limpeza este tipo deve ser utilizado somente quando os fatores de incrustao do lado do casco forem. inferiores a 0.0004. Para fatores de incrustao maiores, e tipo arranjo quadrado ou quadrado rodado deve ser utilizado.

A Tabela 5.4 uma recomendao para a escolha da disposio dos tubos.

Tabela 5.4- Recomendaes para a disposio dos tubos

Disposio

Triangular Quadrada

Fator incrustao 0,0004 X Fator incrustao > 0,0004 X

Quando requerida limpeza mecnica da superfcie externa dos tubos

X

Quando requerida ou pode ser feita limpeza qumica do lado do casco

X

Trocador com espelhos fixos X

Feixes removveis X X

Tubos em U X

Menor custo por unidade de rea X

O passo ou "Pitch" a distncia entre centros de tubos adjacentes. Os passos mais comumente utilizados so dados na Tabela 5.5

O passo igual a 1,25 vezes o dimetro externo do tubo.

dep = 25,1


Tabela 5.5- Passo em funo do dimetro externo dos tubos

Passo (pol) Dimetro externo (de) (pol) Triangular Quadrado

43 16

15 1 1

1 1 41 1 4

1

1 21 1 8

7 1 87

> 1 21 1,25 x de 1,25 x de

5.2.3.3 Nmero de Trajetos nos Tubos Em funo do tipo construtivo do trocador pode-se estabelecer certas regras para o nmero de trajetos nos tubos. Normalmente o mximo nmero de passes utilizados 8 e o mnimo 2. Com mais de oito passes e com menos de dois, a construo mecnica pode se tornar complicada e os custos de fabricao tendem a se tornar excessivos. Entretanto em casos especiais, um passe ou mais que oito podem ser justificados.

Em trocadores de espelho fixo podem ser utilizados, em principio, qualquer nmero de passes, par ou impar. Os arranjos mais comuns, entretanto, so um passe e nmero par de passes. Para trocadores com tubos em U, somente nmero par de passes possvel, e, devido a problemas construtivos, o mximo nmero de passes recomendado 6.

Para os trocadores com espelho flutuante tipo T (pull through) ou com anel bipartido, qualquer nmero par de passes pode ser utilizado. A utilizao de um nico passe, embora no seja usual requer a instalao de junta de expanso no cabeote traseiro do trocador.

5.2.4 DIMETRO DO CASCO Desde que definido o comprimento dos tubos e estimada uma rea necessria de troca trmica o dimetro do casco ser funo do nmero de tubos necessrios, do arranjo e do passo dos tubos. O dimetro do trocador sempre definido como sendo o dimetro interno do casco. O TEMA na sua edio de 1978, admite para dimetro mximo do casco, em trocadores normais, 60 polegadas, exigindo para trocadores entre 60 e 100 polegadas requisitos adicionais.

Os dimetros do casco de trocadores so normalmente limitados, tendo em vista as condies existentes na planta para a manuteno e limpeza dos mesmos. Usualmente o dimetro mximo utilizado limitado a 48 polegadas, com o peso do feixe tubular no ultrapassando cerca de 15 toneladas.

5.2.5 CHICANAS As chicanas constituem-se em placas colocadas perpendicularmente aos tubos, no lado do casco, e tem por finalidade suportar os tubos, evitando problemas de vibraes dos mesmos, e garantir o fluxo cruzado do fluido do lado do casco atravs do feixe tubular. Dois tipos de chicanas so normalmente utilizados: segmental e duplamente segmental. (Figura 5.10).


Figura 5.10 Chicanas

(de Kaka, 1981) O corte da chicana para o tipo segmental definido como sendo a razo entre h (tamanho da abertura na Figura 5.10) e dimetro interno do casco, isto , uma porcentagem do dimetro interno do casco.

O corte para chicanas segmentais variam entre 20 a 30%, enquanto que o valor geralmente utilizado est em torno. de 25%.

Pode-se utilizar cortes de at 48%, mas, neste caso, a chicana perde o seu objetivo principal que o de garantir o fluxo cruzado atravs do feixe tubular e ter somente a funo de suporte adicional dos tubos.

Para as chicanas duplamente segmentais a definio do corte a mesma. Neste caso, o mximo corte permitido 30%, estando entretanto, normalmente, entre 20 e 25%. Para as chicanas duplamente segmentais deve-se sempre permitir uma superposio necessria para comportar no mnimo uma fileira de tubos.

O passo da chicana definido como o espaamento longitudinal entre as chicanas. O mximo espaamento permitido depende do dimetro do tubo e do dimetro do casco. O TEMA define o mximo espaamento em funo do dimetro do tubo, no devendo usar-se, entretanto, espaamento maior que o dimetro do casco.

O menor espaamento permitido pelo TEMA 1/5 do dimetro do casco ou 2 polegadas., adotando-se sempre o maior dos dois valores.

O espaamento definido acima refere-se s chicanas intermedirias do trocador. No projeto trmico deve-se, conhecer tambm, o espaamento entre chicana e espelho, tanto no bocal de entrada como no de sada do trocador. Estes espaamentos so sempre definidos em funo do critrio construtivo do trocador.

A posio do corte das chicanas depende do tipo e temperatura do fluido circulando pelo casco. Para condensadores, vaporizadores e fluidos contendo slidos suspensos, utiliza-se normalmente o corte na posio vertical. Este arranjo minimiza a formao de bolses de vapor ou sedimentos, que podem reduzir a rea efetiva de troca trmica. Para fluidos limpos, sendo resfriados, circulando pelo casco, com diferena entre as temperaturas de entrada e sada de 95 a 150 C conveniente a utilizao de cortes na posio horizontal, com o objetivo de se evitar estratificao do fluido.

Para todos os outros tipos de servios, o corte na posio vertical normalmente utilizado.


5.2.6 BOCAIS E PLACAS DE IMPACTO A locao dos bocais de um trocador de calor deve ser efetuada tendo em vista o tipo de servio do trocador.

Como regra geral pode-se adotar que:

fluidos sendo aquecidos ou vaporizados, devem escoar a partir do fundo em direo ao topo do trocador, tanto do lado dos tubos como do casco.

fluidos sendo condensados ou resfriados devem escoar a partir do topo em direo ao fundo do trocador, tanto do lado dos tubos como do casco.

Para as dimenses dos bocais, deve-se, sempre que possvel, adotar as mesmas dimenses das tubulaes conectadas ao trocador. Neste caso, deve-se verificar a necessidade da utilizao de placas de impacto colocados imediatamente abaixo do bocal de entrada do casco.

As placas de impacto servem como proteo do feixe tubular contra o impacto proveniente do fluido escoando pelo casco.

De acordo com o TEMA devem ser utilizadas placas de impacto quando o valor de exceder os seguintes valores: 2V

2.2000 smkg para fluidos no abrasivos, no corrosivos e sem mudana de fase,

2.700 smkg para todos os outros fluidos.

Alm disso o TEMA exige a utilizao de placa de impacto sempre que o fluido do casco seja gasoso ou vapor condensado e para misturas lquido-vapor.

A placa de impacto , normalmente, locada a uma distncia mnima de 1/4 do dimetro interno do bocal, a partir da interseco da linha de centro do bocal com o crculo que define o dimetro interno do casco. A placa de impacto tem normalmente o formato retangular ou quadrado, com dimenses de cerca de 1 a 2 polegadas maiores que o dimetro interno do bocal, so normalmente fixadas atravs de solda aos tirantes, no devendo nunca ser fixadas diretamente sobre os tubos.

No caso de no se ter definido os dimetros das linhas que sero conectadas ao trocador, pode-se utilizar como recomendao os valores dados na Tabela 5.6.

Tabela 5.6- Recomendaes para dimetros de conexes do casco

Dimetro interno do casco (pol) Dimetro das conexes (pol)

Menor que 12 2

12 - 17 41 3

19 41 - 21 4

1 4

23 41 - 29 6

31 37 8

Acima de 39 10


Para dimensionamento dos bocais recomenda-se os seguintes valores para a velocidade mxima:

Para lquidos:

Bocais do cabeote sftmx 10=V

Bocais do casco

= 33000 ftlbmesftVmx V

Para gases:

Para o cabeote e para o casco

= psigpeftlbmsftVpVmx 3,1,16

5.2.7 PRESSES E TEMPERATURAS DE PROJETO As presses de projeto do lado do casco e dos tubos de um trocador devem ser determinadas separadamente, tendo em vista as mximas presses a que podero estar submetidos o casco e os tubos do equipamento. Para fluidos movimentados por bombas, uma indicao segura da presso de projeto a ser adotada a presso mxima da bomba. Para vapor de gua, por exemplo, a presso de projeto, ser em princpio a presso mxima de gerao da caldeira de vapor. De uma maneira geral as presses de projeto de um trocador estaro na faixa de 10 a 20% maiores que as presses de operao dos fluidos.

Determinadas separadamente as presses de projeto do casco e tubos do equipamento, deve-se analisa-las conjuntamente.

Se um trocador opera de um lado com baixa presso e do outro a alta presso, caso haja o rompimento de um tubo, todo o trocador ficar sujeito a presso do lado de alta presso.

Se a presso de projeto do lado de baixa presso for superior a 2/3 da de alta presso, no haver nenhum problema para o trocador, tendo em vista que a presso de teste. Hidrosttico no mnimo 50% superior a presso de projeto, e assim o trocador por um curto perodo de tempo poder operar nestas condies. Porm, se a presso de projeto do lado da baixa presso for menor que 2/3 da de alta presso, deve-se estar alerta e verificar o que poder acontecer ao trocador.

Se no houver nenhum meio de aliviar a presso no caminho normal do circuito em que se encontra o trocador, deve-se recorrer a uma vlvula de segurana protegendo o lado de baixa presso em sua presso de projeto, ou ento aumentar a presso de projeto do lado da baixa presso, levando em conta fatores econmicos.

Para as temperaturas de projeto deve-se considerar as mximas temperaturas esperadas, ou cerca de 28C acima das temperaturas de operao dos fluidos.

5.2.8 MATERIAIS A seleo de materiais para utilizao na fabricao de trocadores de calor depender das condies de processo e das caractersticas dos fluidos de trabalho.


O TEMA apresenta na sua seo 8, uma lista de materiais recomendados, para as vrias partes dos trocadores.

Esta lista deve ser entendida no como uma indicao definitiva, mas apenas como qualidade mnima recomendada.

Na grande maioria das vezes a especificao dos materiais feita pelo prprio comprador do equipamento.

As espessuras de corroso para as vrias partes do trocador devem ser no mnimo igual quelas indicadas pelo TEMA.

5.2.9 FOLHA DE DADOS A Figura 5.11 mostra a folha de dados do resfriador de gasolina, tendo sido definido o tipo construtivo, disposio e passo dos tubos, dimenses dos tubos e dimetros das conexes.


CLIENTE: OPERAO No DO DOCUMENTO REV UNIDADE: Figura 5.11 FOLHA _______ DE __________ LOCAL: AUT._________ DATA ________ 1 SERVIO ITEM No QUANT. 2 DIMENSO TIPO LIGADOS EM 3 SUPERF./UNIDADE CASCO/UNIDADE SUPERF./CASCO 4 CARACTERSTICAS DE UMA UNIDADE 5 LADO DO CASCO LADO DOS TUBOS 6 FLUIDO EM CIRCULAO 7 QUANTIDADE TOTAL FLUIDO ENT (kg/h) 8 VAPOR (kg/h) 9 LQUIDO (kg/h) 10 VAPOR DE GUA (kg/h) 11 NO CONDENSVEIS (kg/h) 12 FLUIDO VAPORIZ. OU CONDENS. (kg/h) 13 VAPOR CONDENSADO (kg/h) 14 DENSIDADE DO LQUIDO 15 VISCOSIDADE ENT. E SADA ( cp ) 16 PESO MOLECULAR DO VAPOR 17 CALOR ESPECFICO DO LQUIDO (kJ/kg.C) 18 CALOR LATENTE (kJ/kg) 19 CONDUTIVIDADE TRMICA ( W/m.C) 20 TEMPERATURA ENTRADA ( C) 21 TEMPERATURA SADA ( C) 22 PRESSO DE OPERAO (bar man.) 23 No DE PASSES POR CASCO 24 VELOCIDADE DE CIRCULAO ( m/s) 25 QUEDA DE PRESSO (bar) CALC: PERM: CALC: PERM: 26 FATOR INCRUSTAO ( m 2.C/ W) 27 CALOR TROCADO (kW) MLDT (CORRIGIDA) ( C) 28 RENDIMENTO SERVIO ( ) LIMPO 29 DETALHES DE CONSTRUO E MATERIAIS 30 PRESSO DE PROJETO (bar man.) 31 PRESSO DE TESTE (bar man.) 32 TEMPERATURA DE PROJETO ( C) 33 TUBOS QUANT D.E. BWG COMP PASSO 34 CASCO D.E D.I. ESPESS. 35 TAMPO DO CASCO TAMPO DO CABEOTE FLUTUANTE 36 CARRETEL TAMPO DO CARRETEL 37 ESPELHO FIXO ESPELHO FLUTUANTE 38 CHICANAS TRANSVERSAIS PASSO TIPO ESPESS. 39 CHICANAS LONGITUDINAIS TIPO ESPESS. 40 SUPORTES DOS TUBOS ESPESS. No TIRANTES 41 JUNTAS DE VEDAO JUNTAS DE VEDAO SOBRESSALENTES 42 CONEXES DO CASCO - ENTRADA SADA TIPO 43 CONEXES DO CARRETEL - ENTRADA SADA TIPO 44 TOL. P/ CORROSO: LADO DO CASCO LADO DOS TUBOS 45 CDIGOS: ANEL DE TESTE 46 PESOS: CASCO FEIXE TUBULAR CHEIO DGUA 47 FABRICANTE: 48 DESENHOS DE CONJUNTO OBSERVAES: 1) GARANTIA QUANTO AO DESEMPENHO DA UNIDADE RESPONSABILIDADE DO FABRICANTE ESTE DOCUMENTO FAZ PARTE DA REQUISIO


7 - capítulo 5 - projeto termo-hidráulico de trocadores de calor tipo casco e tubos - parte i

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