Trocador de calor casco e tubos Feixe de tubosprofessor.unisinos.br/jcopetti/sisterm/casco e...

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Trocador de calor

casco e tubos

Feixe de tubos

casco

Feixe de tuboschicanas

conexões

espelho

cabeçote

gaxetas

Casco

entrada

Casco

saída

Chicanas

tubos

Tubos

saída

Tubos

entrada

Cabeçote posterior

ou de retorno

Cabeçote

estacionário

- frontal

casco

bocais

Casco

Elemento metálico de formato cilíndrico que envolve o feixe

tubular. Dependendo das dimensões, pode ser fabricado a partir do

corte de um tubo existente (D < 0.6 m), ou da calandragem de uma

chapa metálica seguida de soldagem.

Bocais (injetores e ejetores)

No lado do casco, são geralmente fabricados a partir de seções

de tubo soldadas ao casco, podendo estar acompanhados de placas de

proteção de tubos.

No lado dos tubos, onde o fluido geralmente é o mais corrosivo, os

injetores e ejetores podem ser protegidos por ligas especiais.

Tubos

Espelhos

placas tubulares ou espelhos

Tubos

Arranjo dos tubos

Arranjo dos tubos

Passo

triangular

(30º)

Passo

quadrado

(90º)

Passo

quadrado

girado (45º)

Passo

triangular

girado (60º)

Passo Passo

Pas

so

Tringular• Maior densidade de tubos Maior área de

troca por unidade de volume Maior q

• Maior p

• Maior dificuldade de limpeza

Quadrado• 85% do número de

tubos comparado

com o triangular

• Menor TC

• Facilidade de

limpeza

• Menor p

Chicanas ou defletores

O arranjo de chicanas no lado casco do trocador serve a dois propósitos:

• Dar suporte aos tubos contra flexão e vibração

• Guiar o fluido do lado do casco através do feixe de tubos de uma forma o mais

próximo possível de um escoamento cruzado ideal

O tipo mais comum de chicanas são as segmentadas

Chicana segmentada simples

Chicana segmentada dupla

Chicana segmentada tripla

Chicana segmentada sem tubos na janela

Chicana disco-anel

Chicanas – outros tipos

Chicana anel - haste

Chicana helicoidal

tubo

Chicanas

Bocal entrada

Quebra

jato

tubos

Bom projeto Muito próxima Muito afastada

característica Chicana

segmentada

Chicana

haste

Tubo Chicana helicoidal

Boa TC por unidade de ∆p não sim sim sim

Alto h_casco sim não não sim

Adequado para alta efetividade

do trocador

não sim sim não

Tende a ter baixa incrustação não sim sim sim

Pode ser limpo mecanicamente sim, com passo

quadrado

sim sim sim, com passo

quadrado

Baixo escoamento induzido pela

vibração tubo

com projeto

especial

sim sim com dupla hélice

Pode ter tubos com baixa aleta sim sim sim sim

Quebra jato

Chicanas e feixe de tubos

(60in)

Norma

Normas

TEMACabeçote

estacionário Casco

Cabeçote

posterior

AES

BEM

BFU

Exemplos

Exemplos de layout

Tirantes

DIcasco= 685mm, passo triangular, 2 passes nos tubos, feixe em U

Quebra jato

Casco

Borda do defletor

DIcasco= 685mm, passo quadrado girado, 4 passes nos tubos, cabeçote flutuante S

Casco

Tirantes

Borda do defletor

Tiras de selagem

Quebra jato

aumentar o coeficiente de transferência de calor, h

Para reduzir a perda de carga

Para aumentar a transferência de calor

aumentar a área de troca

Lado dos tubos Lado do casco

Lado dos tubos Lado do casco

Aumentar F ou efetividade

- Aumentar nº de tubos

-Diminuir externo dos

tubos (de)

- Diminuir o

espaçamento (Ld)

ou corte do defletor

- Aumentar o

comprimento

do tubo, L

- Aumentar o

diâmetro do

casco (Di) c/

apropriado

nº de tubos

- Empregar

múltiplos casco

em série ou

paralelo

- Usar configurações contracorrente e

múltiplos configurações de casco

- Diminuir o

nº de passes

nos tubos

-Aumentar

diâmetro do

tubo

-Diminuir o L

e aumentar Di

e nºtubos

- Aumentar

o corte do

defletor

-Aumentar o

espaçamento

do defletor,

Ld

- Aumentar

o passo dos

tubos

- Usar

defletores

segmentados

duplos ou

triplos

Incrustações, limpeza, manutenção

Vantagens

São robustos e de construção relativamente simples

São de limpeza e manutenção relativamente simples, se forem projetados

corretamente

Métodos de projeto existentes já foram testados

Flexibilidade na construção permite que praticamente qualquer processo

possa ser executado no trocador C&T (pressões e temperaturas

extremamente baixas ou altas, altas diferenças de temperatura, mudança de

fase, incrustações severas, fluidos corrosivos, etc.)

Projeto de trocadores casco e tubos

Problema UA (mcp)1 (mcp)2 T1,e T1,s T2,e T2,s

1

2

3 o

4

5 o

6 o

Variável

desconhecida

Variável

conhecida

FTU

qA

cc,mlee

)e,2Ts,2T()mcp()s,1Te,1T()mcp(q 21

deLNttπAe

he

1RfeAeRp

Ai

AeRfi

Ai

Ae

hi

1

1Ue

onde Ue (baseado na área externa dos tubos) é dado por:

Como os valores dos coeficientes de transferência de calor, h, não são

conhecidos ainda, são necessárias estimativas iniciais desses valores

(baseadas em valores típicos)

Valores típicos do coeficiente de transferência de calor convectivo e fatores de

incrustação para trocadores de calor casco e tubos

Problema Condições do fluido h (W/m²K) Rf (m²K/W)

água líquido 5000 - 7500 1 - 2,5 x 10-4

amônia líquido 6000 - 8000 0 - 1 x 10-4

Líquidos orgânicos líquido 1500 - 2000 0 -2 x 10-4

Médios orgânicos líquido 750 - 1500 1 - 4 x 10-4

Orgânicos pesados Líquido

aquecendo

resfriando

250-750

150-400

2 – 10 x 10-4

2 – 10 x 10-4

Orgânicos muito pesados Líquido

aquecendo

resfriando

100 - 300

60 - 150

4 – 30 x 10-3

4 – 30 x 10-3

Gás Pressão 100 – 200 kPa

Pressão 1 Mpa

Pressão 10 Mpa

80-125

250-400

500-800

0 – 1 x 10-4

0 – 1 x 10-4

0 – 1 x 10-4

Alocação das correntes de fluido no casco e tubos

Considerar os seguintes aspectos:

A corrente com maior propensão à incrustação deve ir pelos tubos (mais fácil

a limpeza)

A corrente de maior pressão estática deve ir pelos tubos (mais fácil a

vedação)

O fluido mais corrosivo deve ir pelos tubos (se não casco e tubos será

corroídos)

A corrente de menor vazão deve ir pelo casco (escoamento se torna turbulento

em menores Re no casco)

O fluido mais viscoso deve ir pelo casco ( escoamento através das chicanas

compensa o efeito da viscosidade com uma maior turbulência)

MÉTODO KERN PARA CÁLCULO DO LADO DO

CASCO

Di

100xDi

LB bch

c Lbch

h

cascoGD

Re

cascocasco

A

mG

d

icasco L´C

P

DA

Número Reynolds – Lado Casco

Fluxo mássico Área de escoamento do fluido do casco

dePC

Diâmetro hidráulico - Dh

Arranjo quadrado

de

4/deP4D

22

h

Arranjo triangular

2/de

8

de

4

3P4

D

22

h

14,0

p

3/155,0casco PrRe36,0Nu

k

DhNu he

casco

Correlação para Nu do lado do casco

Coeficiente de transferência de calor convectivo fluido-casco

Válida para 2000 < Re < 1 x 106

Número total de tubos no casco

Exemplo tabela:

de)PR(

Di

CL

CTP875,0N

2

2c

tt

Ou de forma aproximada: CTP=0,93 1 passe nos tubos

CTP=0,9 2 passes nos tubos

CTP=0,85 3 passes nos tubos

CL=1 arranjos 90 e 45º

CL=0,87 arranjos 30 e 60º

PR=Pt/de

22

cL

de)PR(Ae

CTP

CL637,0Di

Número de defletores

Nd=L/Ld - 1

14,0

ph

i2

casco

D2

D1NdfGp

Re)ln19,0576,0exp(f O fator de atrito, f, leva em conta as perdas de

entrada e saída do casco

Válida para 400 < Re < 1 x 106

Trocadores com mais passes no casco

- Trocadores 1:2 são limitados, não permitindo uma efetiva recuperação de calor;

- Quando ocorre interseção de temperatura num trocador 1:2, o F cai agudamente e a

pequena diferença de T na saída do casco abaixo da T de saída do tubo (ts-Ts) elimina a

possibilidade de elevada recuperação de calor, p.e.: quente: Te=93 ºC e Ts=60 ºC frio:

te=27ºC e ts=71ºC

R=0,75 e P=0,67 F1:2=0,68

- Neste casco um trocador 2:4 permite melhorar o F, devido às interseções de temperaturas

permitidas (F=0,94) e, portanto, se recupera mais calor

Em um mesmo casco somente até 2 passagens no casco (trocador 2:4 – casco tipo F) com

uso de defletor longitudinal

Acasco/2; para ∆p: (Nd + 1) x 2

Usual usar trocadores 1:2 em série.

A=nº cascos (deLNtt)

∆pcasco: (Nd+1) x nºcascos

∆ptubos: (Npt x nºcascos)

FTT cc,mlml

Fator F

1:2n2:4n (2 TC 1:2)

Em um processo industrial deve-se resfriar óleo térmico de 120°C a 70 °C

usando uma corrente de água de um rio nas proximidades a temperatura de 18°C.

As vazões mássicas iniciais de óleo e água são 4500 L/min e 2500 L/min,

respectivamente.

São indicados tubos de ¾ in 18 BWG dispostos no casco em arranjo quadrado

(90°) com passo de 1 in. Inicialmente testar um trocador casco e tubos tipo AES,

23:192.

O material dos tubos é cobre.

As perdas de carga admissível no lado do casco é de 0,6 bar e nos tubos 0,5 bar.

Os fatores de incrustação para as correntes devem ser estimados conforme os

fluidos.

Fazer o cálculo térmico, da perda de pressão das correntes e da efetividade do

trocador. A partir destes resultados avaliar se o trocador de calor pode ser

utilizado para este serviço. O tamanho do trocador é adequado ou poderia ser

utilizado um menor?

Projeto térmico e hidráulico de um trocador de calor casco e tubos.

Em um processo industrial deve-se resfriar um produto de 120°C a 80 °C e vazão de 4000

L/min. Como a empresa tem um rio nas proximidades esta água é usada para o resfriamento.

Considere que a água está a uma temperatura de 20ºC e vazão de 2000 L/min.

Inicialmente testar tubos de diâmetro de ¾ in 13 BWG dispostos no casco em arranjo

quadrado (90°) com passo de 1 in. Inicialmente testar um trocador casco e tubos tipo AES,

15:192. O material dos tubos é cobre.

As perdas de carga admissível no lado do casco é de 0,6 bar e nos tubos 0,45 bar.

O fator de incrustação para o produto pode ser considerado de 0,000262 m²K/W e para a

água deve ser pesquisado no banco de dados do EES.

Propriedades do produto:

k=0,138 W/mK, cp=1,622 kJ/kgK, =1044 kg/m³, =0,0027 Ns/m²

Fazer o estudo proposto a seguir através do programa EES.

- Utilizar todos os recursos do software para cálculo de propriedades, uso dos métodos de

cálculo (∆Tml e -NUT), cálculos de coeficientes de transferência de calor e perdas de

pressão.

- Selecionar o fluido que escoará no casco e nos tubos e justificar a escolha.

- Selecionar o número de passes nos tubos

- Selecionar espaçamento entre defletores

1.Fazer o cálculo térmico, da perda de pressão das correntes e da efetividade do trocador.

A partir destes resultados avaliar se o trocador de calor pode ser utilizado para este

serviço. O tamanho do trocador é adequado ou poderia ser utilizado um trocador casco e

tubos menor?

Apresentar coeficiente de limpeza e discutir.

2.Verifique a influência de trocar as correntes de fluido de local de escoamento, ou seja, a

do casco passa a escoar nos tubos e a dos tubos no casco. Onde isto influi? Comente e

justifique os resultados.

3.Qual a influência de aumentar o número de passes nos tubos? E o número de passes no

casco?

4.Como varia a temperatura de saída do produto e a efetividade se a temperatura de

entrada da água varia numa faixa de 18 a 30 ºC, mantendo a temperatura de entrada do

produto e as vazões dos fluidos? Seria possível alcançar a temperatura de saída

especificada do produto. Plotar os resultados em um gráfico e explicar.

5.Como varia a temperatura de saída do produto, da água e a efetividade, se a vazão de

produto varia de 3.500 a 4.500 L/min, mantendo as temperaturas de entrada dos fluidos e

a vazão de água? Plotar os resultados em um gráfico e explicar.

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