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PAULO ALBERTO TEIXEIRA TEODORO
O TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBO E SUAS DIVERSAS APLICAÇÕES EM SISTEMAS TÉRMICOS
CAMPO GRANDE - MS
2017
CAMPO GRANDE – MS
2017
O TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBO E SUAS DIVERSAS APLICACOES EM SISTEMAS TÉRMICOS
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Anhanguera Unidade II de Campo Grande MS, para obtenção do titulo de bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Tutora Roberta Yamashita
PAULO ALBERTO TEIXEIRA TEODORO
PAULO ALBERTO TEIXEIRA TEODORO
O TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBO E SUAS DIVERSAS APLICAÇÕES EM SISTEMAS TÉRMICOS
Monografia apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Anhanguera Unidade II de Campo Grande MS, para obtenção do titulo de bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Tutora Roberta Yamashita
BANCA EXAMINADORA
Prof. Breno Dutra de Queiroz
Prof. Luiz Fernando Souza Borges
Profa. Valéria Sun Hwa Mazucato
Campo Grande, 01 de Novembro de 2017.
Dedico este trabalho a todas as pessoas
que de uma forma direta ou indireta
acreditaram tanto no meu sonho quanto
na minha capacidade de que eu seria
capaz de passar por todas as barreiras
encontradas neste período.
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer, em primeiro lugar, a Deus, pela força e coragem durante
toda esta longa caminhada. À professora Valéria Sun Hwa Mazucato e a tutora
Roberta Yamashita, pela paciência na orientação e incentivo que tornaram possível
a conclusão desta monografia, aos amigos que de uma forma direta e indireta me
auxiliaram também. Agradeço ao Engenheiro Eletricista Mauricio Arruda pelas
excelentes dicas e pelo aprendizado passado por ele. Aos veterinários do S.I. F
4400 por possibilitarem e me ajudarem em tudo que foi necessário para o
desenvolvimento dessa monografia.
TEIXEIRA, Paulo Alberto T. O Trocador de Calor do Tipo Casco e Tubo e Suas Diversas Aplicações em Sistemas Térmicos. 2017. 27p. Trabalho de Conclusão de Curso Engenharia Mecânica. Centro Universitário Anhanguera de Campo Grande, 2017.
RESUMO
Esta monografia abordou as diversas aplicações do permutador de calor tipo casco e tubo e suas correlações atuais com os processos de produção industrial diante da gritante necessidade de se aplicar o pensamento do desenvolvimento sustentável nas economias mundiais, neste caso através das indústrias. Tal proposta se fez necessária devido ao trocador de calor tipo casco e tubo representarem um custo relevante devido a sua utilização e sua manutenção como um todo. Além disso, sabe-se da constante escassez de recursos naturais na elaboração dos mais diversos produtos de consumo para a sociedade e que é preciso, principalmente por meio das engenharias, que as indústrias acompanhem as premissas voltadas à sustentabilidade e busquem meios que entrelacem os meios de produção com políticas e projetos que diminuam e/ou utilizem melhor os recursos naturais existentes, preservando-os para gerações futuras. PALAVRES-CHAVE: Permutador de calor, sustentabilidade, processos industriais.
TEIXEIRA, Paulo Alberto T. The Hull-Tube Heat Exchanger and its Various Applications in Thermal Systems. 27p. Trabalho de Conclusão de Curso Engenharia Mecânica. Centro Universitário Anhanguera de Campo Grande, 2017.
ABSTRACT
This monograph addressed the various applications of hull and tube type heat exchanger and their current correlations with industrial production processes in the face of the overwhelming need to apply sustainable development thinking to global economies, in this case through industries. This proposal was made necessary because the hull and tube type heat exchanger represents a relevant cost due to its use and maintenance as a whole. In addition, we are aware of the constant shortage of natural resources in the production of the most diverse consumer products for society and that it is necessary, mainly through engineering, that industries follow sustainability-based premises and seek means that interweave means with policies and projects that diminish and / or make better use of existing natural resources, preserving them for future generations. KEY WORDS: Heat exchanger, sustainability, industrial processes.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9
2 DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL NAS INDÚSTRIAS E SUA
CORRELAÇÃO COM A ECONOMIA DE ENERGIA. ............................................... 11
3 O TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBO: CARACTERÍSTICAS
GERaiS, FUNÇÕES BÁSICAS E EVOLUÇÃO. ....................................................... 16
3.1 TIPOS DE TROCADORES DE CALOR E SUAS UTILIZAÇÕES. .................. 17
3.2 TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBO: CONCEITUAÇÕES. .... 19
4 TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBO: ANÁLISE DE SUA
FUNCIONALIDADE NAS INDÚSTRIAS. .................................................................. 21
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 26
REFERÊNCIAS ................................................................................................. 27
9
1 INTRODUÇÃO
O presente trabalho, intitulado “O trocador de calor, tipo casco e tubo e suas
diversas aplicações em sistemas térmicos”, trata de uma revisão bibliográfica em
torno deste relevante equipamento e as condições de sua aplicabilidade atual.
A questão principal deste tema é analisar sua funcionalidade, pois é um
equipamento amplamente usado na indústria em geral e necessita de uma análise
acadêmica mais profunda, pois implica pontos cruciais e relevantes no contexto
atual, tais como, sustentabilidade, redução de energia, otimização do trabalho e
economia dentro dos processos de produção.
Neste sentido é que se insere uma discussão acadêmica de modo a
investigar a situação atual deste equipamento e elaborar um cenário crítico e que
faça um diagnóstico mais palpável através deste estudo que confirme ou não a
eficiência deste trocador de calor.
Para tanto, uma ampla revisão de literatura faz-se primordial na busca dos
melhores resultados. A pesquisa compreende a leitura, coleta, seleção, fichamento
e/ou resumos de obras de respaldo na comunidade científica, tais como, artigos e
livros de universidades renomadas e buscas de outras obras publicadas em
congressos científicos e periódicos brasileiros e internacionais. Desse modo,
acredita-se num bom resultado nas análises finais deste Trabalho de Conclusão de
Curso.
Para a clara compreensão do estudo e afunilamento em busca do resultado, o
trabalho divide-se em três partes distintas:
No primeiro capítulo, abre-se o tema para as questões de sustentabilidade,
sua história no mundo e seus aspectos gerais dentro das indústrias.
Já no segundo capítulo, faz-se um breve panorama do trocador de calor, tipo
casco e tubo, seus aspectos gerais desde o seu surgimento, sua evolução, até o seu
contexto atual.
No terceiro capítulo, inicia-se a discussão acadêmica em relação a este
equipamento e seu uso, abordando os pontos positivos e negativos acerca da
utilidade do mesmo.
Desse modo, espera-se a responder à questão de base deste trabalho: Até
que ponto esse trocador de calor é realmente eficiente e satisfaz as necessidades
10
dos processos térmicos nos quais é utilizado?
Para tanto, o objetivo central fixa-se em debater as reais necessidades do
trocador de calor tipo casco e tubo, de acordo com as biografias renomadas no
assunto e deduzir as vantagens que comprovam sua efetividade nas diversas
utilizações.
Por fim, nas considerações finais, descrevem-se os resultados da pesquisa,
os principais pontos concernentes e elaboram-se algumas sugestões que possam
colaborar na melhoria da função deste equipamento.
Assim, finaliza-se a pesquisa, elevando que, a importância deste estudo e de
seus resultados num ambiente macro industrial, podem trazer respostas
significativas na Engenharia Mecânica.
11
2 DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL NAS INDÚSTRIAS E SUA
CORRELAÇÃO COM A ECONOMIA DE ENERGIA.
Esta parte da pesquisa visa uma introdução ao tema em questão, abordando
a importância da sustentabilidade nas indústrias referente à economia de energia,
para tanto, faz-se uma revisão histórica sobre questões como desenvolvimento
sustentável e industrialização no mundo de forma sucinta, esclarecedora, de modo a
introduzir este assunto dentro das questões éticas pertinentes. Tal capítulo faz-se
necessário, pois se trata de um dos mais conflitantes percalços enfrentados pelas
indústrias atualmente.
Dias (2007) refere que, logo após o nomadismo, durante o período neolítico,
quando o ser humano se torna sedentário por começar a se fixar em lugares
específicos (8.000 a 10.000 mil anos atrás) em aldeias, agravaram-se os impactos
negativos sobre os recursos naturais. Assim, esta degradação foi aumentando no
decorrer dos séculos e da expansão territorial, porém, a partir do século XVIII com o
advento da revolução industrial, que trouxeram os maiores aglomerados de pessoas
da história da humanidade, é que os impactos ambientais se tornaram gritantes e
acelerados em caráter mundial. Tal cenário piorou até a metade do século XX,
devido a uma maciça intensificação de consumo.
A chamada Revolução Industrial foi fruto das alterações substanciais
operadas sobre os meios de produção e especialmente sobre os trabalhadores.
Estes, até então dispersos, e baseados na cooperação individual (MARTINEZ,
2010).
Para Martins (2003) “Constata-se, nessa época, que a principal do surgimento
da Revolução Industrial foi o aparecimento da máquina a vapor como fonte
energética”.
O progresso do maquinismo foi acompanhado do desenvolvimento da concentração. Os ofícios mecânicos se aperfeiçoaram. A eletricidade foi utilizada como fonte de energia ao lado do vapor. O emprego da máquina, que era generalizado, trouxe problemas desconhecidos, principalmente pelos riscos de acidente que comportava. A prevenção e a reparação de acidentes, a proteção de certas pessoas (mulheres e menores), constituíam uma parte importante da regulamentação do trabalho. De outro lado, o maquinismo modificava as condições de emprego da mão de obra. Suas possibilidades técnicas davam ao empresário, não muito exigente quanto à qualidade dos assalariados, possibilidades de interromper essa aprendizagem, substituindo o trabalhador
12
especializado por uma mão de obra não qualificada e o trabalho dos adultos pelo das mulheres e menores. (NASCIMENTO, 2009, p.12).
Donaire (1999) amplia o assunto referindo que nas últimas décadas
ocorreram grandes mudanças no ambiente de trabalho das empresas. Estas eram
tidas somente como meras instituições econômicas preocupadas apenas em
resolverem os seus problemas básicos (produzir, escoar, expandir). Porém, têm-se
presenciado neste meio, o florescer de novos papéis a se desempenhar, como
busca nas alterações no ambiente em que trabalham.
Desse modo, têm-se percebido outra preocupação, uma nova maneira de
produzir, de se evitar perdas e não só a ideia de tradicional de potencialização dos
lucros. O uso descabido dos recursos naturais trouxe diversos problemas os quais
levaram as empresas de um modo geral, a esta nova maneira de pensar.
A sustentabilidade é discutida como um estado em que três tipos de
interesses (ou conflitos) sejam cumpridos (ou resolvidos), simultaneamente: (i) o
interesse da geração atual em melhorar a suas reais condições de vida
(sustentabilidade econômica), (ii) a busca de uma equalização das condições de
vida entre ricos e pobres (sustentabilidade social), e (iii) os interesses das gerações
futuras que não estão comprometidas pela satisfação das necessidades da geração
atual (sustentabilidade ambiental) (HORBACH, 2005).
Montibeller Filho (2001), sobre um conceito adequado de Desenvolvimento
Sustentável cita que este termo é de origem anglo-saxônica (sustainable
development), sendo conhecido a partir da década de 1980 a partir da apresentação
na conferência mundial sobre conservação e desenvolvimento, da IUCN de Otawa
no Canadá (1986), na qual foram elencados alguns princípios importantes, dentre
eles a integração da tríade conservação-natureza-desenvolvimento, a busca correta
da satisfação das necessidades humanas fundamentais, lutar pela igualdade e
justiça social, procurar a autodeterminação social respeitando a diversidade cultural
e manter a preservação ambiental.
Assim, ficava claro neste evento que o modo capitalista de produzir coisas,
visando apenas crescer economicamente estava trazendo diversos fatores negativos
para a humanidade e a natureza, pois o uso inadequado imperava naquele cenário.
13
Glavic e Lukman (2007) apóiam o fato de que se aumenta o interesse sobre
sustentabilidade e de se abordar este tema a partir estratégias de controle de
poluição, eco eficiência, gestão ambiental, comprometimento social, ecologia nas
indústrias, procedimentos mais éticos, reutilização de materiais, economia de
recursos diversos, economia na produção e geração de resíduo zero.
Este uso indiscriminado dos recursos naturais tiveram muita repercussão
negativa no cenário internacional e a sociedade como um todo, começou a reagir e a
cobrar outro modelo que quebrasse o paradigma desfavorável que estava se
formando. Além disso, não havia uma preocupação com o consumo inadequado de
energia e este fato estaria onerando os custos e refletindo no preço dos produtos
junto ao consumidor.
Cavalcanti (2004) comenta sobre uma maneira de desenvolvimento adequado
que traga desenvolvimento, lucros e geração de empregos, paralelo à proteção e
conservação ambiental dos mais diversos ecossistemas. Para isso, entretanto, o
autor afirma que o uso predatório destes ecossistemas deve ser esquecido e
abandonado, evitando-se desastres e contaminações e criando-se novas maneiras
de se produzir e de se reaproveitar os recursos disponíveis como aquíferos, solos,
florestas. Desse modo diminui-se a poluição, principal entrave nos processos de
produção e desenvolvimento.
Neste panorama e na tentativa de se criar novas alternativas de economia de
energia é que este trabalho de monografia se insere, pois, se olharmos o quadro dos
mais variados processos produtivos, percebe-se que a engenharia mecânica
encontra-se justamente entrelaçada no seio da indústria.
Brown (2003) alerta da agressão e dos impactos que o nosso ecossistema
vem levando e afirma que esta relação cada vez mais estressada do ser humano
com o meio ambiente e isto têm trazidos enormes prejuízos para o nosso
ecossistema.
Neste contexto, nota-se que por séculos o ser humano pautou-se num padrão
de produção e consumo indiscriminado de recursos ambientais e que teve apenas
certa percepção mundial a partir dos últimos 40 anos. Também se tornaram claros
14
os acontecimentos noticiados pelos meios de comunicação sobre as mudanças
climáticas e os vários desastres ambientais que comprometem economicamente
diversas regiões do mundo, além de causar um número impressionantes de mortes.
Neste quadro conflitante e diante de várias crises energéticas, sabe-se que a
energia elétrica é um componente indispensável para o desenvolvimento de
qualquer país ou região e que este tipo de energia por várias vezes aponta sinais de
escassez. Assim, fica um desafio também, no tocante à engenharia mecânica que
de alguma pode e deve propor respostas dentro de suas funções nas produções.
Então, a análise de cunho crítico sobre a utilização do trocador de energia tipo
casco e tubo e suas perspectivas atuais, torna-se um passo e pode servir de
exemplo para a análise de outros componentes em busca de suas eficiências e
novas maneiras que estes possam somar dentro da proposta de economia de
energia no país.
Kaehler (2000) busca na física a definição de energia que segundo ele, é a
capacidade de gerar trabalho, porém, no que pretende o desenvolvimento
sustentável, esta definição se torna um pouco mais abrangente e considera como
um produto relevante que eleva as condições econômicas de um país.
Pacheco (2006), sobre a utilização de energias alternativas, comenta que
estas fontes tradicionais já são amplamente utilizadas e possuem uma boa
tecnologia em torno delas. Além disso, o seu uso é bem aceito pela sociedade e é
utilizada com boa representatividade no mundo. O autor cita neste grupo, o petróleo,
o carvão, a energia hidráulica e o gás natural.
O autor ainda aponta as consideradas convencionais, que são as que são
utilizadas recentemente e suas tecnologias estão em fase de desenvolvimento. Este
tipo de energia ainda não está aplicado em grande escala na sociedade. Neste
grupo se encontram a energia dos ventos, o bagaço da cana, a energia das marés, o
bagaço da cana, dentre outros.
Assim, têm-se também nesta proposta de sustentabilidade, uma abordagem
sobre temas que podem contribuir com a minimização de impactos poluentes e/ou
que propiciem alguma forma de economizar energia, têm-se aí uma preocupação
15
latente em relação ao futuro de nosso planeta.
Canepa (2007) reforça esta preocupação mostrando que o Desenvolvimento
Sustentável possui as características de um processo fixo de mudanças e não algo
fixo, estático e harmônico, onde tenta-se trabalhar de maneira igualitária, o uso de
recursos, o gerenciamento de recursos em tecnologia e as mudanças nas
organizações em relação ao presente e ao futuro.
O trocador de calor casco e tubo é um tipo de equipamento usado
grandemente no meio industrial, por isso, fazer uma avaliação no panorama atual
sobre as sua utilidade, sua produção e seus fatores limitantes é relevante também
no contexto de responsabilidade social e nos aspectos sustentáveis para o meio
ambiente.
Cavalcanti (2003) reforça esta ideia dizendo que este novo paradigma de
desenvolvimento abarca grandes possibilidades de se conquistarem condições
iguais ou melhores da qualidade de vida igual ou superior para o mundo atual e suas
gerações porvir.
Ainda, Cavalcanti (2003) afirma que as discussões marcantes no momento
sobre o conceito de Desenvolvimento Sustentável, mostram a necessidade de se
sistematizar e colocar e limites nas produções e no consumo, Procurando eliminar o
conceito ultrapassado de crescimento a todo o custo sem se importar com a situação
futura do meio ambiente e a sociedade.
Então, o presente estudo traz também à tona discussões de cunho técnicas
sobre o trocador de calor casco e tubo, como também na sua macro importância
referente às melhorias de seu uso, dando assim, suporte para o segundo capítulo
que se foca no surgimento, na evolução e nas características referentes ao trocador
de calor tipo casco e tubo, visando obter subsídios sobre sua funcionalidade.
16
3 O TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBO: CARACTERÍSTICAS
GERAIS, FUNÇÕES BÁSICAS E EVOLUÇÃO.
O capítulo atual visa especificar os detalhes técnicos deste equipamento,
buscando fazer um aparato sobre os tipos existentes e sua atual utilização nas
indústrias. Desse modo, além de atender os objetivos propostos, pretende-se dar
subsídios suficientes ao diagnóstico no final deste estudo acadêmico.
É importante ressaltar que esta pesquisa acadêmica vem a colaborar não só
nas discussões de cunho técnicas sobre o trocador de calor casco e tubo, mas
também na sua macro importância referente às melhorias de seu uso, pois diante da
atual conjuntura, precisa-se um repensar nas indústrias e nas suas maneira de
produzir, incluindo a avaliação dos equipamentos que promovem a produção porém
ao mesmo tempo consomem energia, muitas vezes em demasia.
Conforme a Organização das Nações Unidas (2010), o tema energia é
dividido em três grandes áreas: acesso à energia, energia renovável e eficiência
energética. A literatura especializada tem apresentado o conceito de eficiência
energética de diferentes formas, por vezes juntamente com a definição de
conservação de energia.
Neste sentido, a discussão acadêmica em torno da sustentabilidade de
condutores de energia deve ser constante, pois trata de algo importante devido à
escassez geral de energias no planeta.
Mais especificamente em relação a estudos científicos feitos sobre os
trocadores de calor, Caruso (2012) cita que, a condensação em trocadores de calor
é constantemente analisada e testada visando um melhor discernimento referente
aos parâmetros que envolvem este fenômeno.
No caso especifico deste estudo em questão que trata do trocador de calor,
tipo casco e tubo, Bicca (2005) conceitua que, são basicamente um feixe de tubos
envolvidos por um casco, normalmente cilíndrico, no qual circula um fluído
externamente ao feixe de tubos e outro fluído por seu interior. Os componentes
principais são os cabeçotes de entrada e saída, casco, feixe de tubos e os
defletores.
Hewitt (1993) reforça ainda que, estes permutadores de calor tipo casco e
tubo, abrangem um universo de aproximadamente 60% de toda a gama de
17
trocadores de calor utilizados nos processos de produção industriais, operando em
diversas escalas de temperatura e pressão, além de inúmeras aplicações.
Buscar meios que avaliem a função e a utilidade do trocador de calor casco e
tubo faz parte também de uma proposta de sustentabilidade, visto que isto têm sido
o foco de inúmeras organizações e empresas nos tempos atuais, sendo que o
trocador de calor casco e tubo é um tipo de equipamento usado grandemente no
meio industrial, por isso, fazer uma avaliação no panorama atual sobre as sua
utilidade, sua produção e seus fatores limitantes é relevante também no contexto de
responsabilidade social e nos aspectos sustentáveis para o meio ambiente.
Cavalcanti (2003) reforça esta ideia dizendo que este modelo novo de
desenvolvimento traz a possibilidade de se obterem condições iguais ou superiores
de vida igual ou superior para o mundo atual e suas gerações vindouras.
3.1 Tipos de Trocadores de Calor e Suas Utilizações.
A seguir o trabalho se concentra na tipificação e na utilização destes
trocadores de calor.
Quanto à sua utilização:
Conforme dados técnicos da Revista Trocalor (2007), sabe-se que
basicamente os trocadores de calor se designam por termos correspondentes às
modificações que executam nas condições de temperatura ou estado físico do fluído
do processo. Se especificamente o equipamento operar com dois fluídos de
processo, mantém-se geralmente a designação que corresponde ao serviço de
maior relevância.
Sendo assim, a Revista Trocalor (2007) refere que os trocadores de calor se
classificam como:
- Resfriador (cooler): por meio da água, ar ou salmoura, resfria um líquido ou
gás.
- Refrigerador (chiller): resfria também um fluído de processo por meio da
evaporação de um fluído refrigerante, tipo amônia, propano ou
hidrocarbonetos clorofluorados.
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- Condensador (condenser): retira o calor de um vapor até a sua condensação
parcial ou total, podendo inclusive sub resfriar um líquido condensado. A
expressão “condensador de superfície” aplica-se ao condensador de vapor
exausto de turbinas e máquinas de ciclos térmicos.
- Aquecedor (beater): aquece o fluído d e processo, usando geralmente vapor
de água ou fluído térmico.
- Vaporizador (vaporizer): cede calor ao fluído de processo, vaporizando total
ou parcialmente por meio da circulação natural ou forçada. O termo
“refervedor” (reboiler) aplica-se ao vaporizador que opera conectado a uma
torre de processo. O termo “gerador de vapor” (steam generator) aplicasse ao
vaporizador que gera vapor de água, aproveitando calor excedente de um
fluído de processo.
- Evaporador (evaporator): promove a concentração de uma solução pela
evaporação do líquido de menor ponto de ebulição.
Quanto à forma construtiva, podem-se citar os dados da Revista Trocalor
(2007) que detalha de maneira minuciosa estes permutadores como:
- Trocadores tipo casco e tubo (shell and tube): equipamentos constituídos
basicamente por um feixe tubos envolvidos por um casco, normalmente
cilíndrico, circulando um dos fluídos 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: devido às diversas aplicações específicas dos trocadores
de calor são encontradas várias formas construtivas que não se enquadram nas
tipificações comuns (casco e tubo, tubo duplo, serpentina, trocador de placas,
resfriadores de ar, rotativos regenerativos, economizadores, etc.). Nestes “tipos,
atribui-se a classificação de ‘especiais”, por causa da sua peculiaridade de
construção devido à aplicação.
Desse modo, este capítulo de cunho técnico, procurou detalhar o nosso
objeto de estudo a fim de esclarecer a proposta do capítulo seguinte que pretende
19
estabelecer uma discussão crítica em torno dos trocadores de calor tipo casco e
tubo no tocante ao seu universo nos processos industriais.
3.2 TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBO: CONCEITUAÇÕES.
Em relação à sua definição, Figueiredo (2003) refere que os permutadores de
calor tipo casco e tubo, são componentes industriais usados numa variedade de
ações de aquecimento-resfriamento de fluídos. Sua operação basicamente ocorre
com um fluido específico drenando-se pelo casco e outro através dos tubos, sem
contato físico entre ambos.
Ainda segundo Figueiredo (2003) estes se tratam de equipamentos
essenciais em campos diversificados da indústria, por exemplo, indústria química,
indústria petroquímica, indústria de alimentos, indústria de medicamentos, indústria
siderúrgica, indústria de mineração, Indústria de papel e celulose, entre outros.
Silva (2010) complementa ainda que os trocadores de calor tipo casco e tubo
podem ser úteis também em ações críticas onde se utilizam fluidos nocivos e letais,
tipo H2 e H2S e utilizações em baixas ou altas temperaturas e altas ou baixas
pressões. Para todas estas ações, utilizam-se softwares para equações mecânicas
ou térmicas, por exemplo, o HTRI e PV elite sendo que estes devem acompanhar as
normas da ASME VIII, normas da ABNT, normas da Petrobrás e as premissas
básicas destes devem ser sempre a união do menor custo com a maior qualidade
para cada instalação específica.
Ainda definindo os permutadores de calor tipo casco e tubo, Tonin (2003)
afirma que são permutadores usados grandemente nos processos de produção
industrial em casos de aquecimento, resfriamento, vaporização, evaporação,
condensamento em inúmeros tipos de fluidos, no momento da necessidade de áreas
maiores de transmissão de calor. Sua estrutura é formada de tubos paralelos onde
ocorre a circulação de fluidos sob um casco cilíndrico onde se move outro fluido.
Tonin (2003) mostra que neste contexto possui benefícios em torno de sua
fabricação, seu custo e o seu desempenho térmico. Sua construção pode ocorrer
com grandes superfícies de permuta de calor em volumes geralmente menores e se
mostra com grande flexibilidade em sua atuação, principalmente no quesito pressão
20
e temperatura. A seguir seguem a função das principais peças dos trocadores de
calor e suas funções:
- Defletores ou chicana: conforme Toni (2003) leva o escoamento do fluido de
forma cruzada ou paralela, gerando turbulência e consequentemente um tempo a
mais de permanência do fluido do casco, aumentando a transferência de calor. Além
disso, elas ajudam a manter os tubos dentro do casco, impedindo a flexão do disco,
anel, orifícios anulares e outros componentes.
- Cabeçotes: Tonin (2003) cita que podem ser estacionários e de retorno,
sendo ligado ao feixe de tubos. Usados para admissão ou admissão ou descarga do
fluido dos tubos (estacionário) ou dar acabamento ao casco ou descarga dos
mesmos fluídos (de retorno).
- Cascos: Ainda segundo Tonin (2003) existem os tipos E (maior utilização) G,
H, e J ( na redução da perda de pressão e nos condensadores em série) e o tipo K
(refervedor e refrigeradores).
No mais, Silva (2010) cita que existem os trocadores com espelhos fixos de
construção simples. Trocadores de cabeçote flutuante que possui a característica de
ser espelho e móvel e possui modo de remoção para limpeza, manutenção e
conservação e os trocadores com tubos em U, também de fabricação simples, com
modo de remoção igual aos trocadores de cabeçote flutuante e a forma em U
permite a expansão no lado do casco.
.
21
4 TROCADORES DE CALOR TIPO CASCO E TUBO: ANÁLISE DE SUA
FUNCIONALIDADE NAS INDÚSTRIAS.
Tonin (2003) analisando as funções básicas do trocador de calor tipo casco e
tubo refere que se trata de equipamentos nos quais dois fluídos em temperaturas
diferentes trocam de calor por meio de uma superfície metálica, acontecendo ou não
mudança de fase de fluídos. Assim, essa troca é utilizada para suprir às
necessidades de um referido processo.
Tonin (2003) cita que outro detalhe importante deste equipamento é que
dentre os diversos tipos de trocadores de calor industrial, o mais usado é o casco e
tubo. Abordando-se o seu ciclo de trabalho, um dos fluídos escoa pelo casco e o
outro fluído, pelos tubos de feixe. Desse modo a troca de calor ocorre pelas paredes
dos tubos. As suas peças principais compõem-se do casco, o feixe de tubos e os
cabeçotes de entrada e de retorno. Existem duas fases distintas no projeto de um
casco e tubo: o projeto térmico e o projeto mecânico. No projeto mecânico, o
trocador é dimensionado, sendo a permuta de calor e a perda de carga são
medidas. No projeto mecânico, são feitos cálculos específicos para dimensionar
como espelhos e flanges.
Assim, CARU (2002) mostra que as propriedades mecânicas distintas do
trocador de calor tipo casco e tubo impactam de maneira expressiva em seu
desempenho térmico e afetam diretamente o fluxo no trocador e a transferência de
calor. É importante lembrar que a Tubular Exchanger Manufacture`s Association
(TEMA), associação norte americana dos fabricantes de permutadores,
estabeleceram protocolos e normas gerais sobre os trocadores de calor, assim, as
regras gerais do TEMA são utilizadas de maneira padrão. Segue abaixo, apenas
como exemplo, alguns critérios e padrões básicos adotados pela TEMA, conforme
elenca Carneval (2002):
Diâmetro do casco:
- Os diâmetros padrão mínimo para casco é 205 mm e o máximo, 1524 mm.
Comprimento dos tubos:
- Os comprimentos padrão, segundo a norma TEMA, são 2438,4; 3048; 3657,8;
4876,8; 4978,4 e 6096 mm.
Diâmetro dos tubos:
22
- Os diâmetros dos tubos recomendados pela norma são 1/4, 3/8, 1/2, 5/8, 3/4, 1, 1
1/4, 1 1/2 e 2 polegadas.
Passo transversal:
- A razão mínima entre o passo transversal e o diâmetro externo dos tubos é 1,25 e
a máxima, 1,5.
Espaçamento entre as chicanas:
- Para uma distribuição uniforme do fluxo e suficiente suporte aos tubos, os
espaçamento entre as chicanas deve respeitar o seguinte limite:
Corte das Chicanas:
- O corte das chicanas varia entre 15 e 40 % do diâmetro interno do casco.
Dentro da análise proposta, pode-se afirmar que o TEMA, enquanto
normatizado de padronizações trata-se de um elemento chave no tocante a
diminuição de erros e estabelecimento de critérios que propiciam um melhor
entendimento entre técnicos e fabricantes, pois acaba por auxiliar numa linguagem
única que possibilita uma unanimidade quanto á discussão em relação a sua
manutenção, reparo, recuperação e conservação. Isso contribui para o seu bom uso
nas indústrias e para a sua evolução tecnológica.
Seguindo essa linha analítica, Figueiredo (2003) mostra também do fator
positivo que o trocador de calor tipo casco e tubo, por possuir excelente troca
térmica e uma alta capacidade, ainda que os modelos sejam mais compactos. Além
disso, no tocante à sua fabricação, são utilizados materiais de alta resistência e
durabilidade, objetivando que este suporte os diferentes tipos de fluídos em
transferência.
Outro fator técnico importante, conforme Tonin (2003) é que o trocador de
calor tipo casco e tubo, por possuir diversos tipos e tamanhos deve ser selecionado
e instalado por profissionais experientes, pois se sabe que este equipamento
também é primordial para controlar as temperaturas nos processos de produção,
sendo que o controle ideal da temperatura ajuda na perfeita funcionalidade das
máquinas, visto que se os danos pelo funcionamento não adequado ou implantação
mal feita, podem ser extremamente prejudiciais para a empresa.
Tonin (2003) relembrando-se as funções e detalhes essenciais do trocador de
calor tipo casco e tubo têm-se este como um equipamento que promove a troca de
fluídos sólidos, líquidos ou gasosos nos processos diversos de refrigeração e
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aquecimento de diversos tipos de equipamentos. Desse modo, os produtos a
distribuição de calor com grande eficácia e rapidez, proporcionando temperaturas
ideais em suas instalações.
Afonso, Cobucci e Carneval (1988) reforçam a utilidade ampla dos trocadores
de calor tipo casco e tubo, pois é de multifuncionalidade nas indústrias em relação à
sua alta transmissão de calor tipo aquecimento, resfriamento, evaporação,
vaporização ou condensação de fluídos. Os autores ainda refere que tem as
vantagens de preço, fabricação e desempenho térmico e possui uma boa
flexibilidade nos projetos e na operação destes, pois tem grande faixa de
temperatura e pressão.
Afonso, Cobucci e Carneval (1988) relatam que devido a estes fatores,
acabam sendo um dos mais requisitados pelas indústrias, pois serve para os mais
variados tipos de indústria, tais como, as de porte petrolífero, petroquímico, gás,
linhas de produção, usinas hidrelétricas, entre muitas outras instalações. O fator
principal é a sua aplicação em altas pressões, pois conta com um casco compostos
de tubos internos para a permutação dos fluídos. Basicamente ocorre que a
passagem de um fluído pelos tubos, o outro fluído percorre através do casco,
ocorrendo dessa maneira à troca de calor entre eles. Estes tubos podem ser
alentados, planos ou contar com outras variações.
Silva (2010) cita outro fator importante no que se refere ao trocador de calor
tipo casco e tubo é a seleção prévia deste para a sua utilização. Este ponto torna-se
relevante, pois, este equipamento necessita ser preciso na sua escolha para a
implantação e em princípio este equipamento deve responder às perguntas básicas
de especificações do processo, quanto aos requisitos de carga térmicas exigidas
diante dos padrões de critérios iniciais em harmonia com os padrões de perda de
carga.
Na parte referente à manutenção, Silva (2010) mostra que o equipamento
deve atender aos processos de limpeza mecânica e química necessárias em áreas
característica de acúmulo, devendo também proporcionar a rotineira troca de peças,
permitindo reparos de maneira facilitada. Quanto à sua maleabilidade operacional o
trocador de calor tipo casco e tubo, deve ter uma boa funcionalidade de operação,
evitando instabilidade, incrustação e vibrações excessivas em todo o seu processo.
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Mantendo essa análise de sua funcionalidade nas indústrias, outro fator
primordial de sua utilização é o seu desempenho durante sua operacionalização,
assim Figueiredo (2003) refere que o trocador de calor tipo casco e tubo deve
suportar condições adversas durante o seu uso, por exemplo, a corrosão, a
formação de depósitos, as tensões e as variações da força mecânica.
Dessa maneira Figueiredo (2003), mostra que durante a fase de escolha do
equipamento deve-se levar em consideração fatores como a corrosão e os
depósitos, baseado em experiências anteriores. Quanto ás questões mecânicas
devem se avaliar sinais como tensões, dilatações e vibrações extras, fazendo destas
um alerta.
Nota-se que existem diversas fontes que tratam da análise de um trocador de
calor, entretanto são informações não protocoladas e aleatórias que dificultam uma
padronização de uso, fazendo-se a necessidade de unir as pesquisas acadêmicas
com o intuito de que, tendo-se as informações conjugadas e roteirizadas pode-se
permitir a criação de protocolos e também uma melhor visualização de sua
funcionalidade e utilização nas empresas.
Outros fatores importantes segundo Santos e Stapasolla (2011) a serem
considerados são o custo geral nos trocadores de calor tipo casco e tubo. O autor
aconselha que estes devam ser analisados conforme experiências anteriores de
utilização, inclusive as questões de custos do equipamento devem focar-se também
nos custos operacionais.
Perceberam-se, nesta análise acadêmica que a troca de calor via
permutadores de calor tipo casco e tubo entre fluídos nas mais variadas
temperaturas é de essência importante durante os processos industriais e possui
uma gama de utilidades na engenharia como um todo. O estudo deixou de maneira
nítida também que os trocadores de calor tipo casco e tubo são primordiais para o
cenário industrial atual e que muitos processos de produção são inteiramente
ligados a estes equipamentos.
Nesta perspectiva e sob a ótica do uso eficiente de energia é que as
indústrias devem se posicionar. Buscando uma melhor utilização em todo o processo
de produção e pensar em possibilidades de aproveitamento, reaproveitamento,
economia de energia e projetos sustentáveis que somem à utilização de
equipamentos como o trocador de calor tipo casco e tubo.
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Por fim, as indústrias numa visão macro, além do “chão de fábrica”, deve-se
permitir quanto aos equipamentos gerais de produção uma análise, uma avaliação
sob novas ideologias de produção, podendo-se pensar numa tríade analítica
econômica-técnica-financeira que influencie o atual mundo contemporâneo das
empresas e organizações.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo visou analisar a funcionalidade do permutador de calor tipo
casco e tubo dentro da perspectiva atual, estabelecendo uma correlação com o
desenvolvimento sustentável. Para tanto, no primeiro capítulo procurou-se enfocar-
se nas premissas de sustentabilidade, sua história, sua importância e sua correlação
dentro dos processos de produção nas indústrias.
No segundo capítulo visou-se fazer um estudo breve sobre o panorama do
trocador de calor tipo casco e tubo, seus aspectos gerais, suas características
básicas, sua evolução e sua funcionalidade dentro das indústrias no contexto da
produção, analisando seus principais pontos positivos e negativos.
Já no terceiro capítulo, partiu-se para o debate acadêmico em relação aos
principais fatos decorrentes da pesquisa, na qual se visualizou este equipamento
como essencial nos processos de produção e que este se insere nas indústrias
como base da engenharia, diante de sua multifuncionalidade.
Desse modo concluiu-se que, sendo o permutador de calor tipo casco e tubo
essencial dentro dos mais variados processos industriais, o mesmo necessita de
uma atenção especial que traga mais sustentabilidade a este equipamento devido
ao seu custo alto de utilização e de manutenção e que, além disso, as indústrias
como um todo busquem meios que beneficiem a sua funcionalidade. Sugere se que
sejam feitos novos estudos para o desenvolvimento do permutador de calor e outras
ferramentas utilizadas neste campo de conhecimento, uma vez que este trabalho
concentrou se na revisão da literatura existente.
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