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116125665 Trocadores de Calor

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APOSTILA DE TROCADORES DE CALOR© SENAI - SP , 2005

Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de SãoPaulo

Coordenação Geral Adauir Rodrigues Castro Coordenação Maristela de Sá Márcio Antônio Barbosa

Elaboração Carlos Ribeiro Pinheiro da Silva

Conteúdo Técnico:

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SUMÁRIO1 TROCADORES DE CALOR...................................................................................................1

1.1 Classificação .....................................................................................................................11.1.1 Quanto a Passagem de Fluídos .....................................................................................1

1.1.1.1 Em Corrente Paralela ............................................................................................11.1.1.2 Em Contracorrente.................................................................................................21.1.1.3 Em correntes cruzadas ..........................................................................................21.1.1.4 Em Correntes mistas .............................................................................................3

1.1.2 Quanto ao Arranjo Físico................................................................................................31.1.2.1 Trocador de calor mono tubular;............................................................................31.1.2.2 Trocador de calor multitubular ...............................................................................41.1.2.3 Trocador de Calor tipo Serpentina.........................................................................51.1.2.4 Trocador de Calor tipo Placa .................................................................................6

1.1.3 Quanto à Aplicação no Processo ...................................................................................61.1.3.1 Aquecedores ou preaquecedores (Heater): ..........................................................61.1.3.2 Resfriadores (Cooler):............................................................................................61.1.3.3 Refervedores (Reboilers):......................................................................................71.1.3.4 Condensadores (Condenser):................................................................................71.1.3.5 Gerador de Vapor (Boiler):.....................................................................................81.1.3.6 Caixa resfriadora (Cooling Box):............................................................................8

1.1.4 Quanto à mudança de fase de um dos fluídos...............................................................81.2 Descrição Geral de Um Trocador de Calor ....................................................................8

1.2.1 Nomenclatura das Partições dos Trocadores ................................................................81.2.2 Cabeçotes.....................................................................................................................12

1.2.2.1 Cabeçotes estacionários:.....................................................................................131.2.2.2 Cabeçote de retorno ............................................................................................14

1.2.3 Casco............................................................................................................................141.2.4 Trocador de Calor Multipasse ......................................................................................151.2.5 Feixe de Tubos .............................................................................................................15

1.2.5.1 Tubos lisos...........................................................................................................151.2.5.2 Tubos aletados ....................................................................................................161.2.5.3 Tubos em U .........................................................................................................171.2.5.4 Arranjo de tubos no espelho................................................................................171.2.5.5 Detalhes da União entre Tubos e Espelho ..........................................................18

1.2.6 Caracterização de um Permutador (TEMA N – 1) .......................................................191.2.6.1 Diâmetro Nominal ................................................................................................191.2.6.2 Comprimento Nominal .........................................................................................191.2.6.3 Exemplos de nomenclatura .................................................................................19

1.2.7 Espelhos .......................................................................................................................191.2.8 Simbologia ....................................................................................................................20

1.3 Escolha do Fluído que Passa nos Tubos.....................................................................201.3.1 Fluído mais sujo:...........................................................................................................201.3.2 Fluído mais corrosivo: ..................................................................................................201.3.3 Fluído com mais pressão: ............................................................................................201.3.4 Fluído menos viscoso:..................................................................................................201.3.5 Água de refrigeração: ...................................................................................................201.3.6 Fluído de menor vazão volumétrica .............................................................................20

1.4 Colocação de um Trocador de Calor em Operação ....................................................201.4.1 Preliminar......................................................................................................................201.4.2 Enchimento e Aquecimento dos Trocadores ...............................................................211.4.3 Retirada de operação ...................................................................................................231.4.4 Condições de Segurança .............................................................................................241.4.5 Falhas no Suprimento de Água ....................................................................................241.4.6 Condensado .................................................................................................................25

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1.4.7 Aquecimento de Linhas e Equipamentos em Geral .....................................................251.4.8 Perda de Eficiência e Limpeza .....................................................................................25

1.5 TESTE HIDROSTÁTICO..................................................................................................261.5.1 Primeiro teste................................................................................................................261.5.2 Segundo teste...............................................................................................................271.5.3 Terceiro Teste...............................................................................................................291.5.4 Verificação para Receber um Trocador após Manutenção..........................................29

2 Referências Bibliográficas:................................................................................................30

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1 TROCADORES DE CALORTrocador ou permutador de calor é um equipamento utilizado para aquecer, resfriar,vaporizar ou condensar fluídos de acordo com as necessidades do processo,utilizando-se uma parede normalmente metálica para separação dos fluídos, emalguns casos essa parede pode ser de materiais não metálicos, como por exemplo,trocadores de calor com tubos de grafite utilizados nas unidades de ácido fosfórico.

No projeto de dimensionamento de trocadores de calor recomenda-se consulta denormas técnicas:

• ASME – Secção VIII – American Society of Mechanical Engineers• TEMA – Tubular Exchange Manufactures Association• API – American Petroleum Institute• ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ( P – NB – 109 )• ASTM – American Society for Testing Materials

As normas do TEMA servem para 3 classes de permutadores casco e tubos.São os chamados permutadores TEMA classe R, classe C e TEMA classe B.

A primeira classe de permutadores (R) é usada em condições severas deprocessamento de petróleo e, que são por sua natureza serviços rigorosos, ondese deseja obter segurança e durabilidade. Para esta classe de permutadores, háainda uma norma suplementar ao TEMA, fornecida pela API (Norma 660).

A classe C dos permutadores é projetada para condições moderadas de operação.tendo em vista a máxima economia e o mínimo tamanho condizentes com asnecessidades de serviço.

A classe B de permutadores é usada em serviços de processamento químico tendoem vista a máxima economia e mínimo tamanho condizente com as necessidadesde serviço.

1.1 CLASSIFICAÇÃO• Quanto à passagem dos fluídos;• Quanto ao arranjo físico;• Quanto à aplicação no processo.• Quanto à mudança de fase de um dos fluídos

1.1.1 Quanto a Passagem de Fluídos

1.1.1.1 Em Corrente ParalelaSão os tipos de trocadores nos quais os fluídos fazem a troca térmicapercorrendo o trocador no mesmo sentido de acordo com a figura abaixo.

A temperatura de saída do fluído quente T2 não poderá ser mais baixa que atemperatura de saída do fluído frio t2, pois, quando as temperaturas dos fluídosse igualarem, cessa a transferência de calor.

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O trocador compassagem emcorrente paralela éusado quando sedeseja umatransferência decalor muito grandeno início, com rápidoresfriamento.

Exemplo:Na pasteurização, oleite deve sersubmetido logo noinício a umatemperatura de 80°para eliminar bactérias, e deve ser resfriado rapidamente para não alterar suaspropriedades e paladar.

1.1.1.2 Em ContracorrenteSão os tipos detrocadores nosquais os fluídospercorrem otrocador emsentido contráriover figura.

A temperatura desaída do fluídoquente T2 poderáser mais baixa quea temperatura desaída do fluído triot2, porém, nuncamenor que t1.

1.1.1.3 Em correntes cruzadasOs fluxos dos fluidos frios equentes se cruzamperpendicularmente como orepresentado na figura ao lado.Como no caso de resfriadoresde gases "intercoolers" doscompressores;preaquecedores de ar para acaldeira; preaquecedor deágua de caldeira; radiadores,etc.;

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1.1.1.4 Em Correntes mistasA passagem dos fluidos dentro de umtrocador de calor é designada por passo. Oaumento do número de passos, num feixe,aumenta a velocidade do fluxo. Um trocadorde calor pode ter mais de um passo no fluxointerno aos tubos, neste caso ocorre ochamado fluxo misto, pois em determinadoponto os fluxos são em paralelo e em outrospontos são contra corrente. Neste caso parao cálculo da temperatura de projeto destesequipamentos, existem tabelas e gráficos decorreção.

Não são convenientes a fabricação de feixescom número muito elevado de tubos devidoa dificuldades mecânicas com vazamentos ea remoção do feixe.

Sob ponto de vista operacional o uso devários trocadores de um só passo em substituição a um de múltiplos passos trazalgumas vantagens embora a um custo mais elevado:

A) Facilidade de limpeza. Um dos trocadores pode ser retirado de operação semprejudicar muitas as condições de processo;

B) Pelas mesmas razões o reparo de vazamentos;

C) A limpeza de feixes menores é mais fácil e rápida em relação, em relação aosfeixes maiores.

Obs.: Um trocador contendo chicanas, o fluxo no casco é praticamente emcorrente mista, isto é, serpenteando em relação ao fluxo dos tubos.

1.1.2 Quanto ao Arranjo Físico

1.1.2.1 Trocador de calor mono tubular;O tipo mais simples de trocador de calor é o mostrado na figura acima, consta deum tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaça(double-pipe).

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Um dos fluidos escoa dentro do tubointerno e o outro através do espaçoanular entre os dois tubos. Uma vezque ambas as correntes fluidasatravessam o trocador apenas umavez, chamamos tal arranjo de trocadorde calor de passo simples.

Se ambos os fluidos escoarem namesma direção, o trocador é chamadode correntes paralelas; se os fluidosse moverem em direção oposta, otrocador é do tipo contra corrente.

1.1.2.2 Trocador de calor multitubularUm trocadorde calormultitubular,consta de umfeixe detubos presospor suasextremidadesà duasplacas,chamadasespelhosconforme afigura aolado.Esquematicamenteteríamos oseguinteaspecto para um corte no feixe de tubos.

1) Casco2) Espelhos;3) Chicanas;4) Tubos;5) Tirantes;6) Espaçadores;7) Defletor do carretel;8) Conexões entrada e saída dos fluidos frios e quentes;

Para evitar que haja flexão dos tubos e também para prover um maior tempo deresidência do fluído do casco e uma maior turbulência, coloca-se no feixe, deespaço em espaço placas de metal chamadas chicanas, observe-se que estaschicanas podem ser de três tipos diferentes, a saber:

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• Chicanas de orifícios anulares;

• Chicanas do tipo disco e anel;

• Chicanas segmentadas.

Neste ultimo tipo o corte da chicana pode estar no permutador em posiçãovertical ou horizontal.

Observe-se que as chicanas, ao contrário dos espelhos, não estão solidárias aostubos, existindo uma folga entre os tubos e os furos nas chicanas, assim, paraque as chicanas fiquem na posição desejada são usados tirantes e espaçadores.

1.1.2.3 Trocador de Calor tipo SerpentinaEste tipo de trocador de calor é muito específico na indústria, e apresenta umasérie de configurações, dependendo do tipo de aplicação e do tipo doequipamento. De uma maneira geral, a configuração é helicoidal ou espiral, muitoutilizado em torres de absorção, vasos circulares com agitadores mecânicos,tanques de armazenagem de óleo combustível, tanques de soluções salinas paraevitar cristalização, em tanques de fusão (enxofre, por exemplo), etc.

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1.1.2.4 Trocador de Calor tipo PlacaOs trocadores tipo placa são disponíveis em diversas formas diferentes: espiral;placa e quadro; placa e aleta soldada; placa aletada e tubo.

Dos quatro modelos acima, destacaremos o trocador de calor tipo placa equadro consiste de vários módulos semelhantes à montagem de um filtro prensa.

A vantagem é a pequena perdade carga, o número de placaspode ser aumentado ou diminuídoconforme a necessidade, boaeficiência térmica.

1.1.3 Quanto à Aplicação noProcessoOs trocadores ou permutadores de calor têm várias tarefas em diversos ramos deatividade industrial: refinaria; petroquímica; siderúrgicas; indústrias químicas; etc.

1.1.3.1 Aquecedores ou preaquecedores (Heater):Neste tipo de permutador cede-se calor sensível a um líquido por meio de vapord'água ou outro meio qualquer (em sentido geral, algumas fornalhas podem estarincluídas neste tipo).

1.1.3.2 Resfriadores (Cooler):Nesta classe estão incluídos os permutadores em que o fluido quente é resfriadopor água. A maior parte do calor é transferida como calor sensível.

Resfriadores de líquidosSão permutadores usados com objetivo de resfriamento de produtos que vãopara tanques de armazenamento. De um modo geral, se o produto é não volátil aescolha da temperatura de saída é definida, principalmente por razões desegurança. No caso de produtos voláteis a temperatura de saída do produtodepende de análise econômica baseada nas perdas por evaporação.

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Resfriadores de gasesSão normalmente encontrados nos compressores tanto como "aftercooler" apóscompressão ou como "intercooler" intercalado entre estágios de compressão.Normalmente utiliza-se água de refrigeração, são construídos em tubos aletadose com freqüência há condensação de vapores.

1.1.3.3 Refervedores (Reboilers):

São equipamentos que operam em conjunto com torres de destilação,vaporizando parte do produto do fundo. A figura acima mostra um dos diferentestipos de refervedores existentes. O meio de aquecimento pode ser vapor d'águaou outra corrente mais quente da própria unidade.

1.1.3.4 Condensadores (Condenser):São usados para recuperação devapores de colunas de destilação ou deevaporadores. Normalmente o fluidorefrigerante é água.

São usados também para condensar ovapor exausto de turbinas, e ao mesmotempo reduzindo a pressão de descargados mesmos. São chamados decondensadores de superfície quando atroca de calor entre os dois fluidos é feitaatravés de uma superfície metálica e sobvácuo.

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Este tipo de condensador tem também a finalidade de recuperar a água combaixo conteúdo de oxigênio que será reusada nas caldeiras.

Os condensadores de superfície são construídos com os espelhos fixos e comduas passagens nos tubos (lado do fluido frio) e são geralmente maiores que osoutros tipos, alguns tem mais de 5.500 metros quadrados de superfície de trocatérmica.

1.1.3.5 Gerador de Vapor (Boiler):a) Caldeira: são equipamentos especiais, que serão tratados como assunto

específico durante o curso;

b) Gerador de vapor de calor residual: havendo calor disponível, além dasnecessidades do processo, pode-se usá-lo para gerar vapor via de regra emum permutador tipo termossifão. O vapor é, normalmente gerado no casco,porque:• Podem ser usados feixes tubulares fixos e um arranjo de tubos triangular.

Este tipo de construção resulta em uma unidade compacta, de custoinicial baixo.

• Freqüentemente o fluido quente tem tendência a formar depósitos ouincrustações, como no caso de geradores de vapor em unidades decraqueamento catalítico.

1.1.3.6 Caixa resfriadora (Cooling Box):Quando se resfria um líquido do processo passando por uma serpentina dentrode um reservatório de água

O uso de caixas resfriadoras resulta em vantagem em caso de falha desuprimento de água de resfriamento, ou no caso em que a água de resfriamentonão tenha um bom tratamento.

Também pode ser usado ar como meio de resfriamento tanto paracondensadores como resfriadores, principalmente em locais de escassez deágua.

1.1.4 Quanto à mudança de fase de um dos fluídosa) Trocador de calor sensível:

A troca de calor entre os fluidos dos tubos e do casco sem mudança de fase

b) Trocador de calor latente:A troca de calor com mudança de estado de pelo menos um dos fluidos.

1.2 DESCRIÇÃO GERAL DE UM TROCADOR DE CALOR

1.2.1 Nomenclatura das Partições dos TrocadoresVimos até aqui uma descrição geral dos chamados permutadores multipasse,apresentamos a seguir um glossário de termos em inglês das peças de umpermutador, e a seguir fazemos um estudo detalhado, tanto quanto possível,dessas peças:

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NotaQuando o feixe paralelo não possui o espelho flutuante, a dilatação diferencial dofeixe mais o casco e absorvida por uma junta de expansão montada no casco, verfigura do trocador TIPO - BEM.

1) Stationary Head - Channel - Cabeçote estacionário -carretel

2) Stationary Head - Bonnet - Cabeçote estacionário - boleado

3) Stationary Head Flange - Flange do cabeçote boleado

4) Channel Cover - Tampo do carretel

5) Stationary Head Nozzle - bocal do cabeçote estacionário

6) Stationary Tubesheet - espelho fixo

7) Tubes - tubos

8) Shell - casco

9) Shell Cover - tampo do casco

10) Shell Flange - Stationary Head End - flange do casco na extremidade docarretel

11) Shell Flange - Rear Head End - flange do casco na extremidade do cabeçotede retorno

12) Shell Nozzle - bocal do casco ou conexão do casco

13) Shell Cover Flange - flange do cabeçote de retorno

14) Expansion Joint - junta de expansão

15) Floating Tubesheet - espelho flutuante

16) Floating Head Cover - tampo flutuante

17) Floating Head Flange - flange do tampo flutuante

18) Floating Head Backing Device - anel bipartido

19) Split Shear Ring - anel de fixação

20) Split-on Backing Flange - flange sobreposto (deslizante)

21) Floating Head Cover - External - tampo do cabeçote flutuante engaxetadoexternamente

22) Floating Tubesheet Skirt - saia do cabeçote flutuante engaxetado externamente

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23) Packing Box Flange - flange caixa de gaxetas

24) Packing - gaxetas

25) Packing Follower Ring - anel de aperto das gaxetas

26) Lantern Ring - anel de lanterna

27) Tie Rods and Spacers - tirantes e espaçadores

28) Transverse Baffles or Support Plates - chicanas transversais ou chapas desuporte

29) Impingement Baffle - quebra jato

30) Longitudinal Baffle - chicana longitudinal

31) Pass Partition - defletor do carretel (divisor de passa do lado dos tubos)

32) Vent Connection - suspiro

33) Drain Connection - dreno

34) Instrument Connection - conexão de instrumento

35) Support Saddle - berço

36) Lifting Lug - alça de suspensão

37) Support Bracket - orelha (de suporte)

38) Weir - vertedor

39) Liquid Level Connection - conexão de medidor de nível.

1.2.2 CabeçotesOs cabeçotes dos permutadores de calor apresentam diversas formas e funções.

Um dos cabeçotes está ligado ao feixe de tubos e serve para admissão e/ouadmissão e descarga do "fluído dos tubos", é o cabeçote estacionário.

O segundo cabeçote dá acabamento ao casco ou descarga do fluído dos tubos,isto porque, como já vimos um fluído pode fazer uma ou mais passagens atravésdos tubos, é o chamado cabeçote de retorno. Evidentemente no caso de umaúnica passagem, ele não será de retorno, embora permaneça o nome.

Os permutadores são classificados pelo TEMA de acordo com a forma doscabeçotes e do casco, desse modo à designação do tipo de permutador é feita porum conjunto de três letras que descrevem respectivamente o cabeçoteestacionário, o casco e o cabeçote de retorno como indicando na figura acima.No exemplo: AKT temos:

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A Cabeçote estacionário tipo canal e carretel removível;K Casco tipo ReboilerT Cabeçote Flutuante com tampo preso no espelho

1.2.2.1 Cabeçotes estacionários:Os cabeçotes estacionários relacionados na figura anterior, do tipo A e B, podemser removidos sem que haja necessidade de se mexer no resto do equipamento omesmo não acontece com os tipos C e D.

Os tipos A e C permitem a inspeção dos tubos sem que se necessite removertodo o cabeçote, o que não é possível com o tipo B.

O tipo C é um cabeçote preso ao espelho, e, portanto solidário ao feixe de tubos.

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1.2.2.2 Cabeçote de retornoO cabeçote de retorno pode ser basicamente; de espelho fixo (cabeçoteestacionário); cabeçote flutuante ou tubo em U.

Os dois últimos tipos são usados quando há um grande diferencial detemperatura entre os fluídos, e torna-se necessário prover o permutador para adilatação do feixe de tubos.

Os cabeçotes de retorno dos tipos L, M e N são exatamente iguais aos cabeçotesestacionários A, B e C.

Os cabeçotes P, S, T são os cabeçotes flutuantes.O tipo P é o cabeçote de retorno engaxetado externamente, neste caso ocabeçote está solidário ao espelho e deve ter um acabamento muito fino na parteexterna, que fica em contato com a gaxeta, para permitir a dilatação do feixe semque haja vazamento do fluído do casco.

Os dois tipos mais comuns de cabeçote flutuante são o S e T.

O tipo S é o cabeçote flutuante com anel bipartido e o tipo T é o cabeçoteflutuante com tampo preso ao espelho. Nestes dois tipos temos realmente doiscabeçotes um preso ao casco e outro ao feixe de tubos.

O cabeçote do tipo S permite uma menor folga entre o feixe de tubos e o casco.

No cabeçote do tipo W, o selo de pressão entre o lado do casco e o lado dostubos é feito por um anel de gaxetas preso ao casco e no qual desliza o espelho.Entre as gaxetas existe um anel perfurado que permite a detecção de vazamentodo anel de gaxetas, seja no lado do casco seja no lado dos tubos. Este tipo depermutador é utilizado para pressões até 150 psi (10,5 kgf/cm2).

1.2.3 CascoEnvolvendo o feixe de tubos está o, casco, por onde escoa o chamado fluido docasco.A segunda coluna apresenta as diferentes formas de casco que se pode usar.A este respeito pode-se dizer que em refinarias e o permutador com uma sópassagem no casco E, é o mais comum, e quando se deseja duas passagens defluído no casco é usual usar-se dois permutadores de uma só passagem, em série.

A norma, API 660, recomenda (no item 9.3 desta norma) mesmo que não se useeste tipo de construção F.

Os cascos do tipo G, H e J são usados quando se deseja reduzir a perda depressão do fluído do casco e ainda no caso de condensadores em série.

O tipo K é usado como refervedor, evaporador ou em refrigeradores e deve ter odiâmetro do casco muito maior que a do feixe para prover espaço para o vaporformado.

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1.2.4 Trocador de Calor MultipasseDe um modo geral um permutador multipasse consta de um feixe de tubos poronde circula um dos fluídos, de um casco envolvendo o feixe de tubos e por ondecircula o outro fluído e cabeçotes nas extremidades do casco.

O fluído pode passar em uma parte dos tubos, num sentido e noutra em sentidocontrário, e neste caso diremos que o fluído do casco faz 1, 2, 3 ou maispassagens nos tubos. O mesmo pode acontecer no casco.

Podemos então definir um permutador pelo número de passagens que os fluídosfazem no equipamento. Assim um permutador 1:2 é um permutador com umapassagem de fluído no casco e duas nos tubos, um permutador 2:4 indica duaspassagens no casco e quatro nos tubos. Na prática nas indústrias químicas,petroquímicas e refinarias a quase totalidade dos permutadores multipasse são1:2.

Do ponto de vista térmico dois permutadores 1:2 são equivalentes a umpermutador 2:4.

1.2.5 Feixe de TubosExistem três tipos fundamentais de tubos:• Lisos;• Aletados• Em U

Podendo estes três tipos com costura e sem costura.

1.2.5.1 Tubos lisosSão os mais comumente encontrados naindústria.

A espessura da parede dos tubos émedida em unidades Birmingham WireGage (BWG), e o diâmetro nominal dotubo é o próprio diâmetro externo. Assim,tubos com o mesmo BWG têm a mesmaespessura. For exemplo: um tubo ¾" 18BWG tem diâmetro externo de ¾ “ eespessura de 0,049" (1,24 mm); um tubode 1” 18 BWG tem 1” de diâmetro externo e 0,049" (1,24 mm) de espessura.

Diâmetros padrões (TEMA, R-2-2): ¾ “; 1”; 1¼”; 1½" e 2".

Comprimento padrão (TEMA R-2-1): 6 pés (1,83 m) ; 10 pés (3,05 m); 12 pés(3,66 m); 16 pés (4,88m) e 20 pés ( 6,10 m).

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1.2.5.2 Tubos aletadosO emprego de tubos comsuperfícies ampliadas é importanteem casos onde o fluxo térmico élimitado pela natureza dos fluídosque trocam calor entre si,conjugada as condições deoperação (queda de pressão,sujeira, etc.) e fatores quedependem da economia doprocesso. A superfície dos tubos éampliada pelos mais diferentes

modos possíveis, e a seleção do tipo de superfície ampliada mais adequada a umproblema vai depender da análise completa das características do problemaenvolvendo fatores tais como, espaço, limpeza, manutenção, corrosão, custo.Os tubos aletados são classificados segundo dois critérios básicos:

A) Orientação das aletas; transversais ou longitudinais em relação ao tubo base.

B) Altura das aletas;• Tubos de alta aleta; aqueles nos quais as aletas se estendem acima da

superfície dos tubos;• Tubos de baixa aleta;

Os tubos de aletas são usados normalmente em permutadores bi-tubulares(tubos concêntricos) e neste caso são usadas aletas longitudinais.

Os tubos de aletas altas transversais são usados principalmente empermutadores de ar.

Especialmente adaptáveis ao permutador multipasse são os tubos de baixa aleta,com cerca de 16 a 19 aletas por polegada de comprimento, que tem uma relaçãode área externa para área interna de 3,5 aproximadamente.

Aletas Longitudinais

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Tubos de baixa aleta podem se usados economicamente quando o coeficientede película externo for menor que 1/5 do coeficiente de película interno.

1.2.5.3 Tubos em UÉ freqüente seu uso quando hágrandes gradientes de temperaturaentre os fluídos. Freqüentemente ostubos em U são obtidos pordobramento de tubos lisos.

Um problema do projeto depermutadores com tubos em U é adeterminação do comprimento efetivodos tubos para o cálculo da área detroca de calor.

1.2.5.4 Arranjo de tubos no espelhoAo se fazer o arranjo dos tubos num permutador deseja-se obter o máximo detubos numa dada seção transversal e ao mesmo tempo prover espaço para oescoamento do fluido do casco e para uma boa limpeza.

Existem dois tipos básicos de arranjo de tubo: passo triangular e passo quadrado.

A figura mostra como se podem dispor estes arranjos. Define-se "passo como amenor distancia centro a centro de tubos adjacentes".

Características:Passo triangular: Usado geralmentequando o fluido do casco é limpo ou se asincrustações podem ser removidas portratamento químico. Dá melhorescoeficientes de troca de calor que o arranjoquadrado, mas maior perda de pressão.Seu uso e principalmente indicado empermutadores de espelhos fixos.

Passo Quadrado : É praticamente o únicotipo usado em refinarias, pois é de fácillimpeza mecânica externa. Conduz acoeficientes de transferencia menores queo passo triangular. Evidentemente oarranjo alternado dá melhor coeficienteque o arranjo em linha. O TEMA (R-2.5)especifica que o passo mínimo deve ser de1,25 vezes o D.E. do tubo e que emarranjos quadrados, para facilidade de limpeza, a folga ou ligamento não deve sermenor que 1/4". Os passes mais comuns são dados na figura ao lado.

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1.2.5.5 Detalhes da União entre Tubos e EspelhoOs tubos são fixados aos espelhos de diversas maneiras, entre elas citamos:

• Solda de selagem: deve serefetuada com cuidado, já que podeprovocar deformações no espelho,tensionamento, corrosão eprejudicando futuras substituiçõesde tubos. São utilizadas máquinasmodernas como indicada na figura.

• Mandrilamento: força o tubocom extremidade ranhuradacontra a parede do espelho,através de uma máquinaoperatriz giratória contendo nasua extremidade um mandril(semelhante ao de umafuradeira), provocando"amarração" do tubo noespelho.

• Engaxetamento: este tipo de encaixe dos tubos no espelho é aplicado emtrocadores de calor sujeitos a pressões baixas que também nos quais háuma substituição muito freqüente de substituição de tubos. São utilizadasbuchas ou gaxetas (não é um sistema muito comum em indústriaspetroquímicas e refinarias).

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1.2.6 Caracterização de um Permutador (TEMA N – 1)Para a caracterização completa de um permutador, além da designação do tipo,através da combinação de letras das três colunas requer-se também umaindicação do seu tamanho, que é feita através dos números que medemrespectivamente o diâmetro e o comprimento nominal. Esta indicação devepreceder do tipo do permutador:

1.2.6.1 Diâmetro NominalÉ a parte inteira, em polegadas, do número que mede o diâmetro interno docasco. No caso de se tratar de um permutador com casco do tipo K, deve-se usara parte inteira do número que mede a gola ou garganta do casco, seguido daparte inteira do número que mede o diâmetro do casco propriamente dito.

1.2.6.2 Comprimento NominalUsa-se o comprimento dos tubos, em polegadas. Para tubos em U ocomprimento nominal é dado pela reta que vai da extremidade do tubo até aextremidade que passa pelo retorno do feixe.

1.2.6.3 Exemplos de nomenclaturaDamos a seguir alguns exemplos:

1) Cabeçote flutuante com anel bipartido com tampo e carretel removíveis, umapassagem no casco de 23 ¼ “ de diâmetro e tubos de 16 pés (4,88 metros)de comprimento.

Tamanho 23 - 192 tipo AES figura da página 9

2) Permutador tipo caldeira de cabeçotes flutuante, com tampo e carretelremovíveis, 23" de diâmetro da garganta e 27" de D.I. tubos de 16 pés (4,88metros).

Tamanho 23/27 - 192 – AKT figura da página 9

3) Permutador de espelhos fixos com cabeçotes boleados uma passagem nocasco 17" de D.I. com tubos de 16 pés 4,88 metros).

Tamanho 17 - 192 - Tipo B-E-M figura da página 9

4) Permutador com tubos em U, cabeçote estacionário boleado, 19" de D.I. etubos de 7 pés ( 2,13 metros) de comprimento.

Tamanho 19 - 84 Tipo CFU figura da página 10

1.2.7 EspelhosComo se viu os espelhos são discosmetálicos que mantém os tubos na posiçãodesejada e há vários modos como podemser feitos as ligações tubo espelho, e ospadrões (TEMA R – 7 . 24) para asranhuras no espelho quando a união dotubo com o espelho é feita por expansão.

Em alguns casos no qual passa pelos tubosfluido corrosivo ou muito quente ou ambos,se utilizam ferrolhos e clad (que é um revestimento de proteção fixado ao espelho,

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que pode ser uma massa refratária, uma chapa fina de material mais nobre fixada,etc.).

1.2.8 SimbologiaRepresenta-se um trocador de calor da forma ilustrada emfluxogramas de processo de acordo com a figura.

1.3 ESCOLHA DO FLUÍDO QUE PASSA NOS TUBOSPara a escolha do lado de passagem do fluido no permutador não há regrasinflexíveis, mas alguns critérios gerais podem nos orientar. Assim, em ordemaproximada de importância, passam nos tubos:

1.3.1 Fluído mais sujo:Com depósitos, coque, sedimentos, catalisadores, etc.. É mais fácil remover asujeira dos tubos do que a do casco.

1.3.2 Fluído mais corrosivo:Além de ser mais econômico usar tubos resistentes à corrosão, é mais fácilsubstituir tubos furados do que cascos.

1.3.3 Fluído com mais pressão:Porque o casco tem menor resistência, por ser maior o seu diâmetro.

1.3.4 Fluído menos viscoso:A menos que a perda de carga deva ser muito baixa.

1.3.5 Água de refrigeração:Por facilidade de limpeza.

1.3.6 Fluído de menor vazão volumétricaEm vista de o casco oferecer maior espaço,

Observação:Entre líquidos semelhantes, deve-se passar pelos tubos aquele de maior pressão,maior temperatura e o mais corrosivo.

Note-se que vapores condensáveis são geralmente colocados no casco.

1.4 COLOCAÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR EM OPERAÇÃO

1.4.1 Preliminara) Certificarem-se de todos os flanges cegos foram removidos;

b) Certificar-se que todos os flanges estejam com as respectivas juntas devedação e que todos os parafusos estão apertados;

c) Certifica-se que o trocador esteja vazio de água, se outro produto for usado;

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d) Certificar-se que todas às válvulas (bloqueio, suspiros e drenos estejamfechados)

e) Certificar-se que todos os plugues estejam apertados;

f) Certificar-se que o isolamento térmico não esteja encharcado com materialinflamável e que esteja completo;

g) Caso não haja instalação fixa para drenagem e ventilação, providenciarmangueiras para esses pontos, alinhando-as para lugar seguro por questõesde segurança pessoal e agressão ao meio ambiente.

1.4.2 Enchimento e Aquecimento dos Trocadores

Observações:a) É importante que os trocadores de calor sejam aquecidos lentamente,

especialmente quando as temperaturas de operação são elevadas;

A rápida entrada de um líquido a alta temperatura pode causar vazamentos,deformações e rupturas no trocador, devido a expansão acelerada e ao choquetérmico.

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b) Na partida entra primeiro o fluído mais frio. Se o fluído mais frio estiverligeiramente quente, então se deixa o mesmo entrar levemente. Quanto maisquente o fluído, mais lenta deve ser sua entrada no trocador.

Tomando como exemplo o esquema acima, podemos iniciar a operação como sesegue:1) Abrir os suspiros "vents" : D, F, I

2) Abrir os drenos: B, J ;

3) Abrir lentamente a válvula A de admissão do fluido mais frio. Tão logo apareçalíquido nos drenos B e J, fechá-los.

Observações:- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;

- Se o líquido mais frio estiver aquecido, mais lenta deverá ser sua admissão.

4) Tão logo apareça líquido nos suspiros "vents" I, D, fechá-los.

Observação:- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;

5) Esperar que a pressão se elevasse e só então destravar a válvula de saída C,do líquido mais frio.

Observação:- Há trocadores que possuem instalação independente para enchimento. Valem as observações dos números 3 e 4. Assim que a pressão de trabalho for atingido, destravar as válvulas A e a saída C. Fechar linha de enchimento.

6) Estando o lado frio do trocador preparado, abrir lentamente a válvula G, dolíquido quente na saída do trocador de calor.Observações:- Tão logo apareça líquido no dreno H fechá-lo. Percebendo-se a existência de água prosseguir com a drenagem até esgotá-la.

- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;- Observar a saída de ar através do suspiro F. Quando aparecer líquido fechar este suspiro

- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;

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7) Esperar que a pressão deste lado do trocador se eleve e só então destravar aválvula E de entrada do fluido quente.Observações:- Há trocadores que possuem instalação independente para enchimento. Valem as observações dos números 3 e 4. Assim que a pressão de trabalho for atingido, destravar as válvulas E e G lentamente.

8) Estabelecer vazão pelo lado mais frio abrindo as válvulas A e C.

9) Estabelecer vazão pelo lado mais quente abrindo as válvulas G e Elentamente.

Observação:- Quanto maior a diferença de temperatura entre os dois fluidos mais lento será a admissão do fluido mais quente.

10) Assim que o trocador estiver em regime, anotar as temperaturas paraacompanhamento operacional para se determinara seu desempenho durante otempo.

1.4.3 Retirada de operação

Observações:a) É importante que os trocadores de calor sejam resfriados lentamente,

especialmente quando as temperaturas de operação são elevadas;

A rápida redução de temperatura pode causar desigualdades na contração dofeixe tubular ou casco causado vazamentos, deformações e rupturas notrocador.

b) Na parada se retira primeiro o fluído mais quente.

Levando em conta o mesmo esquema anterior, temos:1) Fechar lentamente a válvula E de entrada do fluido quente.

2) Assim que a válvula E estiver fechado iniciar o fechamento da válvula G desaída do fluido quente.

Observações:Verificar se a temperatura do trocador atinja a temperatura do fluido mais frio.

3) Fechar a válvula A de admissão do fluido frio.

4) Fechar a válvula C de saída do fluido frio.

5) Aliviar a pressão do lado do casco abrindo o dreno H.

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Observação:Muito cuidado! Este líquido poderá estar suficientemente quente podendoprovocar vaporização e conseqüente situação de insegurança.

6) Aliviar a pressão do lado dos tubos abrindo o dreno B.

Observação:Muito cuidado! Este líquido poderá estar suficientemente quente podendoprovocar vaporização e conseqüente situação de insegurança.

7) Não se observando saída de produto pelo drenos; abrir os suspiros F e D paraacelerar o esgotamento do trocador.

8) Quando não se notar líquido nos drenos injetar vapor pelos suspiros F e D.

Observação:- Quando não se notar saída de líquido juntamente com vapor, abrir o suspiro I e o dreno J.

- Muita atenção! Aliviar vapor de purga para lugar seguro. Evite inalação deste vapor.

9) Quando o vapor de purga sai limpo ( de acordo com a prática) fechartotalmente o vapor de purga.

10) Deixar esfriar o trocador para os serviços de manutenção.

1.4.4 Condições de SegurançaA temperatura e a pressão limites, nas quais devem trabalhar os tubos e o casco,estão especificadas na chapa do fabricante. Elas não devem ser ultrapassadas.Assim, nos resfriadores, a temperatura de saída da água não deve ultrapassar umvalor 50 oC, para evitar formação ou deposição de sais, aumento do problema decorrosão, sobrecarga na torre de resfriamento, etc.

1.4.5 Falhas no Suprimento de ÁguaA falta de suprimento de água de resfriamento pode acarretar sériasconseqüências.

Se o fluido a ser resfriado é muito quente, a interrupção da água pode provocargrande aquecimento no equipamento e violenta vaporização da água que nelepermanece.

Se a água voltar a circular, haverá um resfriamento brusco no trocador. Estamudança rápida de temperatura pode ocasionar o chamado "martelo hidráulico" ou"golpe de aríete" devido a condensação do vapor d'água com bloqueio de líquidobem como também folgar os parafusos afrouxando as juntas.

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Caso surjam falhas no suprimento de água de refrigeração, as medidas imediatas aserem tomadas devem ser, pela ordem, as seguintes;

- Abrir totalmente a(s) válvula(s) de saída de água, caso a(s) mesma (s)esteja(m) fechada(s).

- Providenciar entrada de equipamentos auxiliares para promover externamentea refrigeração do casco (spray, canhões, mangueiras).

- Preparar a unidade para redução de vazão do produto que está sendo admitidono resfriador, inclusive até a paralisação do fluxo, se necessário, caso estaanormalidade perdure por tempo mais longo.

- Caso o suprimento de água de refrigeração se normalize, atuar na(s) válvula(s)de saída de água a fim de manter a estabilidade operacional do equipamentoem função do diferencial de temperatura.

1.4.6 CondensadoDeve-se sempre drenar a água de um aquecedor. O contato do vapor em altavelocidade com a água causa o chamado martelo hidráulico, que nada mais é doque um choque de água em velocidade contra um obstáculo. Este impacto podevir a causar rupturas e deformações no permutador.

1.4.7 Aquecimento de Linhas e Equipamentos em GeralDeverá sempre ser observado que, qualquer linha ou equipamento, quando frio,não poderá receber fluxo ou produto de temperatura muito mais elevada, a não seratravés de introdução lenta e gradual.

Este procedimento visa principalmente proteger o equipamento em si e demaisconexões.

1.4.8 Perda de Eficiência e LimpezaOcorre quando opermutador estásujo e não háeficiente troca decalor entre aspartes. Nessecaso, o pessoalde manutençãodeve retirar atampa do carretel,a tampa do cascoe a tampaflutuante.

Camadas de graxa, lama e sedimentos frouxos podem ser removidas dos tuboscom arames, escovas ou jatos de água.

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Se os sedimentos estiverem muito agregados no interior dos tubos, entupindo-os,usam-se máquinas perfuratrizes.

Em último caso se providência uma limpeza química.

1.5 TESTE HIDROSTÁTICOLogo após os serviços de manutenção que um trocador possa sofrer (limpeza,reparo de vazamentos em flanges, substituição ou plugueamento de tubos, etc.) sãofeitos testes de pressão, geralmente com água.

Estes testes hidrostáticos têm por objetivo verificar a existência de vazamentos emqualquer ponto do trocador, notadamente nos espelhos do feixe tubular e tampas.além de localizar algum tubo furado.

O trocador é cheio com água limpa à temperatura ambiente e pressurizado até apressão recomendada. Normalmente esta pressão é dada pela expressão:

Pteste = 1,5 Pproj de Trabalho

Em trocadores que trabalham com temperaturas elevadas, a pressão de teste écorrigida em função da temperatura.

De modo geral as pressões de teste estão estampadas na placa de identificação dotrocador.

São executados dois testes hidrostáticos nos trocadores: o teste do casco ouprimeiro teste e o teste dos tubos ou segundo teste, ambos devem ser feitos contraflanges cegos e se a pressão de teste se manter por 30 minutos, considera-se oteste aprovado.

1.5.1 Primeiro testePara a execução doprimeiro teste não se colocaa tampa do canal nem atampa do casco, mascoloca-se o anel de testeconforme figura, para vedara abertura entre o casco e oespelho flutuante.

1) Estando colocado o anelde teste, conformefigura, o casco é cheiocom água limpa.Observações:- Soprar com forte jato de ar comprimido o interior de todos os tubos, para remover toda a água e secá-los.

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- Purgar todo o ar que possa ficar aprisionado no casco. Enchê-lo de baixo para cima.

2) Elevar a pressão com auxílio da bomba de teste até a pressão especificada naplaca de identificação.

Obs.:Garantir-se que o manômetro de teste tenha sido aferido

3) Atingida a pressão, manter o casco bloqueado.

Obs.:- Verificar atentamente a mandrilagem dos tubos nos dois espelhos. Marcar aqueles que vazam para posterior remandrilagem se forem necessário. O remandrilamento sempre será feito com o casco despressurizada figura seguinte.

- Verificar se a junta do casco no lado do canal estiver frouxa, reapertar.

- Pluguear os tubos que vazam.

- Não caindo a pressão de teste num prazo de 30 minutos considera-se o teste aprovado.

4) Remover o anel de teste após despressurizar o casco e drenar toda a água epreparar para o segundo teste.

1.5.2 Segundo teste1) Recolocar a tampa do flutuante e a tampa do carretel.

2) Encher o feixe tubular com água limpa e elevar a sua pressão, com a bombade teste, até a pressão recomendada na placa de identificação.Obs.:- Purgar todo o ar que possa ficar aprisionado dentro dos tubos. Encher de baixo para cima.

- Garantir-se que o manômetro de teste tenha sido aferido.

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3) Atingida a pressão de teste, bloquear o feixe tubular.

Obs.:• Verificar atentamente os seguintes pontos da figura indicada por uma seta.

• Flange do flutuante. Reapertar se necessário.

• Flange do canal junto ao espelho fixo. Reapertar se necessário.

• Tampa do canal. Reapertar se necessário.

4) Não caindo à pressão num prazo de 30 minutos considera-se o teste aprovado.

5) Despressurizar e drenar toda a água.

6) Recolocar a tampa do casco.

7) Remover todos os flanges cegos colocados para a execução do teste.

8) Reinstalar todos os instrumentos, drenos, suspiros e plugues.

9) Reparar o isolamento térmico se estiver danificado.

De modo geral, a vedação da tampa do casco e verificada durante o testehidrostático de toda a unidade, ou, durante o enchimento do trocador ao sercolocado em serviço.

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1.5.3 Terceiro TesteEm trocadores de alta responsabilidade torna-se necessário um teste especificopara a tampa do casco conforme figura abaixo.

1.5.4 Verificação para Receber um Trocador após Manutenção.Após a finalização dos trabalhos de manutenção em um trocador de calor, deve serrealizada uma inspeção cuidadosa em todo o equipamento. Por exemplo deve serverificado:

- Que não faltem parafusos,

- Que todos os parafusos estejam apertados,

- Que todos os plugues estejam apertados,

- Que todos os instrumentos estejam instalados.

- Que todos os flanges estejam com as respectivas juntas de vedação, etc. etc.

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2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:• TEMA - STANDARDS OF TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURES

ASSOCIATION - 5TH EDITION

• PROCESS HEAT TRANFER - DONALD Q. KERN

• PRINCÍPIOS DA TRANSMISSÃO DE CALOR - FRANK KREITH

• APOSTILA DE TROCADORES DE CALOR - SENAI

• APOSTILA DO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO - PETROBRAS - CENPEQ

• HEAT EXCHANGER DESIGN HANDBOOK - GULF PUBLISHING COMPANY