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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.
