APOSTILA DE TROCADORES DE CALOR SENAI - SP , 2005

Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horcio Cherkassky" do Departamento Regional de So Paulo

Coordenao Geral Coordenao

Adauir Rodrigues Castro Maristela de S Mrcio Antnio Barbosa

Elaborao

Carlos Ribeiro Pinheiro da Silva

Contedo Tcnico:

SUMRIO1 TROCADORES DE CALOR................................................................................................... 1 1.1 Classificao ..................................................................................................................... 1 1.1.1 Quanto a Passagem de Fludos ..................................................................................... 1 1.1.1.1 Em Corrente Paralela ............................................................................................ 1 1.1.1.2 Em Contracorrente................................................................................................. 2 1.1.1.3 Em correntes cruzadas .......................................................................................... 2 1.1.1.4 Em Correntes mistas ............................................................................................. 3 1.1.2 Quanto ao Arranjo Fsico................................................................................................ 3 1.1.2.1 Trocador de calor mono tubular;............................................................................ 3 1.1.2.2 Trocador de calor multitubular ............................................................................... 4 1.1.2.3 Trocador de Calor tipo Serpentina......................................................................... 5 1.1.2.4 Trocador de Calor tipo Placa ................................................................................. 6 1.1.3 Quanto Aplicao no Processo ................................................................................... 6 1.1.3.1 Aquecedores ou preaquecedores (Heater): .......................................................... 6 1.1.3.2 Resfriadores (Cooler):............................................................................................ 6 1.1.3.3 Refervedores (Reboilers):...................................................................................... 7 1.1.3.4 Condensadores (Condenser):................................................................................ 7 1.1.3.5 Gerador de Vapor (Boiler):..................................................................................... 8 1.1.3.6 Caixa resfriadora (Cooling Box):............................................................................ 8 1.1.4 Quanto mudana de fase de um dos fludos............................................................... 8 1.2 Descrio Geral de Um Trocador de Calor .................................................................... 8 1.2.1 Nomenclatura das Parties dos Trocadores ................................................................ 8 1.2.2 Cabeotes..................................................................................................................... 12 1.2.2.1 Cabeotes estacionrios:..................................................................................... 13 1.2.2.2 Cabeote de retorno ............................................................................................ 14 1.2.3 Casco............................................................................................................................ 14 1.2.4 Trocador de Calor Multipasse ...................................................................................... 15 1.2.5 Feixe de Tubos ............................................................................................................. 15 1.2.5.1 Tubos lisos ........................................................................................................... 15 1.2.5.2 Tubos aletados .................................................................................................... 16 1.2.5.3 Tubos em U ......................................................................................................... 17 1.2.5.4 Arranjo de tubos no espelho ................................................................................ 17 1.2.5.5 Detalhes da Unio entre Tubos e Espelho .......................................................... 18 1.2.6 Caracterizao de um Permutador (TEMA N 1) ....................................................... 19 1.2.6.1 Dimetro Nominal ................................................................................................ 19 1.2.6.2 Comprimento Nominal ......................................................................................... 19 1.2.6.3 Exemplos de nomenclatura ................................................................................. 19 1.2.7 Espelhos ....................................................................................................................... 19 1.2.8 Simbologia .................................................................................................................... 20 1.3 Escolha do Fludo que Passa nos Tubos..................................................................... 20 1.3.1 Fludo mais sujo:........................................................................................................... 20 1.3.2 Fludo mais corrosivo: .................................................................................................. 20 1.3.3 Fludo com mais presso: ............................................................................................ 20 1.3.4 Fludo menos viscoso:.................................................................................................. 20 1.3.5 gua de refrigerao: ................................................................................................... 20 1.3.6 Fludo de menor vazo volumtrica ............................................................................. 20 1.4 Colocao de um Trocador de Calor em Operao .................................................... 20 1.4.1 Preliminar...................................................................................................................... 20 1.4.2 Enchimento e Aquecimento dos Trocadores ............................................................... 21 1.4.3 Retirada de operao ................................................................................................... 23 1.4.4 Condies de Segurana ............................................................................................. 24 1.4.5 Falhas no Suprimento de gua .................................................................................... 24 1.4.6 Condensado ................................................................................................................. 25

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1.4.7 Aquecimento de Linhas e Equipamentos em Geral ..................................................... 25 1.4.8 Perda de Eficincia e Limpeza ..................................................................................... 25 1.5 TESTE HIDROSTTICO .................................................................................................. 26 1.5.1 Primeiro teste................................................................................................................ 26 1.5.2 Segundo teste............................................................................................................... 27 1.5.3 Terceiro Teste............................................................................................................... 29 1.5.4 Verificao para Receber um Trocador aps Manuteno.......................................... 29 2 Referncias Bibliogrficas:................................................................................................ 30

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1 TROCADORES DE CALORTrocador ou permutador de calor um equipamento utilizado para aquecer, resfriar, vaporizar ou condensar fludos de acordo com as necessidades do processo, utilizando-se uma parede normalmente metlica para separao dos fludos, em alguns casos essa parede pode ser de materiais no metlicos, como por exemplo, trocadores de calor com tubos de grafite utilizados nas unidades de cido fosfrico. No projeto de dimensionamento de trocadores de calor recomenda-se consulta de normas tcnicas: ASME Seco VIII American Society of Mechanical Engineers TEMA Tubular Exchange Manufactures Association API American Petroleum Institute ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas ( P NB 109 ) ASTM American Society for Testing Materials As normas do TEMA servem para 3 classes de permutadores casco e tubos. So os chamados permutadores TEMA classe R, classe C e TEMA classe B. A primeira classe de permutadores (R) usada em condies severas de processamento de petrleo e, que so por sua natureza servios rigorosos, onde se deseja obter segurana e durabilidade. Para esta classe de permutadores, h ainda uma norma suplementar ao TEMA, fornecida pela API (Norma 660). A classe C dos permutadores projetada para condies moderadas de operao. tendo em vista a mxima economia e o mnimo tamanho condizentes com as necessidades de servio. A classe B de permutadores usada em servios de processamento qumico tendo em vista a mxima economia e mnimo tamanho condizente com as necessidades de servio.

1.1 CLASSIFICAO Quanto passagem dos fludos; Quanto ao arranjo fsico; Quanto aplicao no processo. Quanto mudana de fase de um dos fludos

1.1.1 Quanto a Passagem de Fludos1.1.1.1 Em Corrente Paralela So os tipos de trocadores nos quais os fludos fazem a troca trmica percorrendo o trocador no mesmo sentido de acordo com a figura abaixo. A temperatura de sada do fludo quente T2 no poder ser mais baixa que a temperatura de sada do fludo frio t2, pois, quando as temperaturas dos fludos se igualarem, cessa a transferncia de calor.

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O trocador com passagem em corrente paralela usado quando se deseja uma transferncia de calor muito grande no incio, com rpido resfriamento. Exemplo: Na pasteurizao, o leite deve ser submetido logo no incio a uma temperatura de 80 para eliminar bactrias, e deve ser resfriado rapidamente para no alterar suas propriedades e paladar. 1.1.1.2 Em Contracorrente So os tipos de trocadores nos quais os fludos percorrem o trocador em sentido contrrio ver figura. A temperatura de sada do fludo quente T2 poder ser mais baixa que a temperatura de sada do fludo trio t2, porm, nunca menor que t1. 1.1.1.3 Em correntes cruzadas Os fluxos dos fluidos frios e quentes se cruzam perpendicularmente como o representado na figura ao lado. Como no caso de resfriadores de gases "intercoolers" dos compressores; preaquecedores de ar para a caldeira; preaquecedor de gua de caldeira; radiadores, etc.; 2

1.1.1.4 Em Correntes mistas A passagem dos fluidos dentro de um trocador de calor designada por passo. O aumento do nmero de passos, num feixe, aumenta a velocidade do fluxo. Um trocador de calor pode ter mais de um passo no fluxo interno aos tubos, neste caso ocorre o chamado fluxo misto, pois em determinado ponto os fluxos so em paralelo e em outros pontos so contra corrente. Neste caso para o clculo da temperatura de projeto destes equipamentos, existem tabelas e grficos de correo. No so convenientes a fabricao de feixes com nmero muito elevado de tubos devido a dificuldades mecnicas com vazamentos e a remoo do feixe. Sob ponto de vista operacional o uso de vrios trocadores de um s passo em substituio a um de mltiplos passos traz algumas vantagens embora a um custo mais elevado: A) Facilidade de limpeza. Um dos trocadores pode ser retirado de operao sem prejudicar muitas as condies de processo; B) Pelas mesmas razes o reparo de vazamentos; C) A limpeza de feixes menores mais fcil e rpida em relao, em relao aos feixes maiores. Obs.: Um trocador contendo chicanas, o fluxo no casco praticamente em corrente mista, isto , serpenteando em relao ao fluxo dos tubos.

1.1.2 Quanto ao Arranjo Fsico1.1.2.1 Trocador de calor mono tubular; O tipo mais simples de trocador de calor o mostrado na figura acima, consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaa (double-pipe).

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Um dos fluidos escoa dentro do tubo interno e o outro atravs do espao anular entre os dois tubos. Uma vez que ambas as correntes fluidas atravessam o trocador apenas uma vez, chamamos tal arranjo de trocador de calor de passo simples. Se ambos os fluidos escoarem na mesma direo, o trocador chamado de correntes paralelas; se os fluidos se moverem em direo oposta, o trocador do tipo contra corrente. 1.1.2.2 Trocador de calor multitubular Um trocador de calor multitubular, consta de um feixe de tubos presos por suas extremidades duas placas, chamadas espelhos conforme a figura ao lado. Esquematica mente teramos o seguinte aspecto para um corte no feixe de tubos. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Casco Espelhos; Chicanas; Tubos; Tirantes; Espaadores; Defletor do carretel; Conexes entrada e sada dos fluidos frios e quentes;

Para evitar que haja flexo dos tubos e tambm para prover um maior tempo de residncia do fludo do casco e uma maior turbulncia, coloca-se no feixe, de espao em espao placas de metal chamadas chicanas, observe-se que estas chicanas podem ser de trs tipos diferentes, a saber:

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Chicanas de orifcios anulares; Chicanas do tipo disco e anel; Chicanas segmentadas.

Neste ultimo tipo o corte da chicana pode estar no permutador em posio vertical ou horizontal. Observe-se que as chicanas, ao contrrio dos espelhos, no esto solidrias aos tubos, existindo uma folga entre os tubos e os furos nas chicanas, assim, para que as chicanas fiquem na posio desejada so usados tirantes e espaadores. 1.1.2.3 Trocador de Calor tipo Serpentina Este tipo de trocador de calor muito especfico na indstria, e apresenta uma srie de configuraes, dependendo do tipo de aplicao e do tipo do equipamento. De uma maneira geral, a configurao helicoidal ou espiral, muito utilizado em torres de absoro, vasos circulares com agitadores mecnicos, tanques de armazenagem de leo combustvel, tanques de solues salinas para evitar cristalizao, em tanques de fuso (enxofre, por exemplo), etc.

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1.1.2.4 Trocador de Calor tipo Placa Os trocadores tipo placa so disponveis 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 e quadro consiste de vrios mdulos semelhantes montagem de um filtro prensa.

A vantagem a pequena perda de carga, o nmero de placas pode ser aumentado ou diminudo conforme a necessidade, boa eficincia trmica.

1.1.3 Quanto Aplicao no ProcessoOs trocadores ou permutadores de calor tm vrias tarefas em diversos ramos de atividade industrial: refinaria; petroqumica; siderrgicas; indstrias qumicas; etc. 1.1.3.1 Aquecedores ou preaquecedores (Heater): Neste tipo de permutador cede-se calor sensvel a um lquido por meio de vapor d'gua ou outro meio qualquer (em sentido geral, algumas fornalhas podem estar includas neste tipo). 1.1.3.2 Resfriadores (Cooler): Nesta classe esto includos os permutadores em que o fluido quente resfriado por gua. A maior parte do calor transferida como calor sensvel. Resfriadores de lquidos So permutadores usados com objetivo de resfriamento de produtos que vo para tanques de armazenamento. De um modo geral, se o produto no voltil a escolha da temperatura de sada definida, principalmente por razes de segurana. No caso de produtos volteis a temperatura de sada do produto depende de anlise econmica baseada nas perdas por evaporao.

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Resfriadores de gases So normalmente encontrados nos compressores tanto como "aftercooler" aps compresso ou como "intercooler" intercalado entre estgios de compresso. Normalmente utiliza-se gua de refrigerao, so construdos em tubos aletados e com freqncia h condensao de vapores. 1.1.3.3 Refervedores (Reboilers):

So equipamentos que operam em conjunto com torres de destilao, vaporizando parte do produto do fundo. A figura acima mostra um dos diferentes tipos de refervedores existentes. O meio de aquecimento pode ser vapor d'gua ou outra corrente mais quente da prpria unidade. 1.1.3.4 Condensadores (Condenser): So usados para recuperao de vapores de colunas de destilao ou de evaporadores. Normalmente o fluido refrigerante gua. So usados tambm para condensar o vapor exausto de turbinas, e ao mesmo tempo reduzindo a presso de descarga dos mesmos. So chamados de condensadores de superfcie quando a troca de calor entre os dois fluidos feita atravs de uma superfcie metlica e sob vcuo.

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Este tipo de condensador tem tambm a finalidade de recuperar a gua com baixo contedo de oxignio que ser reusada nas caldeiras. Os condensadores de superfcie so construdos com os espelhos fixos e com duas passagens nos tubos (lado do fluido frio) e so geralmente maiores que os outros tipos, alguns tem mais de 5.500 metros quadrados de superfcie de troca trmica. 1.1.3.5 Gerador de Vapor (Boiler): a) Caldeira: so equipamentos especiais, que sero tratados como assunto especfico durante o curso; b) Gerador de vapor de calor residual: havendo calor disponvel, alm das necessidades do processo, pode-se us-lo para gerar vapor via de regra em um permutador tipo termossifo. O vapor , normalmente gerado no casco, porque: Podem ser usados feixes tubulares fixos e um arranjo de tubos triangular. Este tipo de construo resulta em uma unidade compacta, de custo inicial baixo. Freqentemente o fluido quente tem tendncia a formar depsitos ou incrustaes, como no caso de geradores de vapor em unidades de craqueamento cataltico. 1.1.3.6 Caixa resfriadora (Cooling Box): Quando se resfria um lquido do processo passando por uma serpentina dentro de um reservatrio de gua O uso de caixas resfriadoras resulta em vantagem em caso de falha de suprimento de gua de resfriamento, ou no caso em que a gua de resfriamento no tenha um bom tratamento. Tambm pode ser usado ar como meio de resfriamento tanto para condensadores como resfriadores, principalmente em locais de escassez de gua.

1.1.4 Quanto mudana de fase de um dos fludosa) Trocador de calor sensvel: A troca de calor entre os fluidos dos tubos e do casco sem mudana de fase b) Trocador de calor latente: A troca de calor com mudana de estado de pelo menos um dos fluidos.

1.2 DESCRIO GERAL DE UM TROCADOR DE CALOR1.2.1 Nomenclatura das Parties dos TrocadoresVimos at aqui uma descrio geral dos chamados permutadores multipasse, apresentamos a seguir um glossrio de termos em ingls das peas de um permutador, e a seguir fazemos um estudo detalhado, tanto quanto possvel, dessas peas: 8

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Nota Quando o feixe paralelo no possui o espelho flutuante, a dilatao diferencial do feixe mais o casco e absorvida por uma junta de expanso montada no casco, ver figura do trocador TIPO - BEM. 1) Stationary Head - Channel - Cabeote estacionrio -carretel 2) Stationary Head - Bonnet - Cabeote estacionrio - boleado 3) Stationary Head Flange - Flange do cabeote boleado 4) Channel Cover - Tampo do carretel 5) Stationary Head Nozzle - bocal do cabeote estacionrio 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 do carretel 11) Shell Flange - Rear Head End - flange do casco na extremidade do cabeote de retorno 12) Shell Nozzle - bocal do casco ou conexo do casco 13) Shell Cover Flange - flange do cabeote de retorno 14) Expansion Joint - junta de expanso 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 fixao 20) Split-on Backing Flange - flange sobreposto (deslizante) 21) Floating Head Cover - External - tampo do cabeote flutuante engaxetado externamente 22) Floating Tubesheet Skirt - saia do cabeote flutuante engaxetado externamente 11

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 espaadores 28) Transverse Baffles or Support Plates - chicanas transversais ou chapas de suporte 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 - conexo de instrumento 35) Support Saddle - bero 36) Lifting Lug - ala de suspenso 37) Support Bracket - orelha (de suporte) 38) Weir - vertedor 39) Liquid Level Connection - conexo de medidor de nvel.

1.2.2 CabeotesOs cabeotes dos permutadores de calor apresentam diversas formas e funes. Um dos cabeotes est ligado ao feixe de tubos e serve para admisso e/ou admisso e descarga do "fludo dos tubos", o cabeote estacionrio. O segundo cabeote d acabamento ao casco ou descarga do fludo dos tubos, isto porque, como j vimos um fludo pode fazer uma ou mais passagens atravs dos tubos, o chamado cabeote de retorno. Evidentemente no caso de uma nica passagem, ele no ser de retorno, embora permanea o nome. Os permutadores so classificados pelo TEMA de acordo com a forma dos cabeotes e do casco, desse modo designao do tipo de permutador feita por um conjunto de trs letras que descrevem respectivamente o cabeote estacionrio, o casco e o cabeote de retorno como indicando na figura acima. No exemplo: AKT temos: 12

A K T

Cabeote estacionrio tipo canal e carretel removvel; Casco tipo Reboiler Cabeote Flutuante com tampo preso no espelho

1.2.2.1 Cabeotes estacionrios: Os cabeotes estacionrios relacionados na figura anterior, do tipo A e B, podem ser removidos sem que haja necessidade de se mexer no resto do equipamento o mesmo no acontece com os tipos C e D. Os tipos A e C permitem a inspeo dos tubos sem que se necessite remover todo o cabeote, o que no possvel com o tipo B. O tipo C um cabeote preso ao espelho, e, portanto solidrio ao feixe de tubos.

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1.2.2.2 Cabeote de retorno O cabeote de retorno pode ser basicamente; de espelho fixo (cabeote estacionrio); cabeote flutuante ou tubo em U. Os dois ltimos tipos so usados quando h um grande diferencial de temperatura entre os fludos, e torna-se necessrio prover o permutador para a dilatao do feixe de tubos. Os cabeotes de retorno dos tipos L, M e N so exatamente iguais aos cabeotes estacionrios A, B e C. Os cabeotes P, S, T so os cabeotes flutuantes. O tipo P o cabeote de retorno engaxetado externamente, neste caso o cabeote est solidrio ao espelho e deve ter um acabamento muito fino na parte externa, que fica em contato com a gaxeta, para permitir a dilatao do feixe sem que haja vazamento do fludo do casco. Os dois tipos mais comuns de cabeote flutuante so o S e T. O tipo S o cabeote flutuante com anel bipartido e o tipo T o cabeote flutuante com tampo preso ao espelho. Nestes dois tipos temos realmente dois cabeotes um preso ao casco e outro ao feixe de tubos. O cabeote do tipo S permite uma menor folga entre o feixe de tubos e o casco. No cabeote do tipo W, o selo de presso entre o lado do casco e o lado dos tubos 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 deteco de vazamento do anel de gaxetas, seja no lado do casco seja no lado dos tubos. Este tipo de permutador utilizado para presses at 150 psi (10,5 kgf/cm2).

1.2.3 CascoEnvolvendo o feixe de tubos est o, casco, por onde escoa o chamado fluido do casco. 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 s passagem no casco E, o mais comum, e quando se deseja duas passagens de fludo no casco usual usar-se dois permutadores de uma s passagem, em srie. A norma, API 660, recomenda (no item 9.3 desta norma) mesmo que no se use este tipo de construo F. Os cascos do tipo G, H e J so usados quando se deseja reduzir a perda de presso do fludo do casco e ainda no caso de condensadores em srie. O tipo K usado como refervedor, evaporador ou em refrigeradores e deve ter o dimetro do casco muito maior que a do feixe para prover espao para o vapor formado.

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1.2.4 Trocador de Calor MultipasseDe um modo geral um permutador multipasse consta de um feixe de tubos por onde circula um dos fludos, de um casco envolvendo o feixe de tubos e por onde circula o outro fludo e cabeotes nas extremidades do casco. O fludo pode passar em uma parte dos tubos, num sentido e noutra em sentido contrrio, e neste caso diremos que o fludo do casco faz 1, 2, 3 ou mais passagens nos tubos. O mesmo pode acontecer no casco. Podemos ento definir um permutador pelo nmero de passagens que os fludos fazem no equipamento. Assim um permutador 1:2 um permutador com uma passagem de fludo no casco e duas nos tubos, um permutador 2:4 indica duas passagens no casco e quatro nos tubos. Na prtica nas indstrias qumicas, petroqumicas e refinarias a quase totalidade dos permutadores multipasse so 1:2. Do ponto de vista trmico dois permutadores 1:2 so equivalentes a um permutador 2:4.

1.2.5 Feixe de TubosExistem trs tipos fundamentais de tubos: Lisos; Aletados Em U Podendo estes trs tipos com costura e sem costura. 1.2.5.1 Tubos lisos So os mais comumente encontrados na indstria. A espessura da parede dos tubos medida em unidades Birmingham Wire Gage (BWG), e o dimetro nominal do tubo o prprio dimetro externo. Assim, tubos com o mesmo BWG tm a mesma espessura. For exemplo: um tubo " 18 BWG tem dimetro externo de e espessura de 0,049" (1,24 mm); um tubo de 1 18 BWG tem 1 de dimetro externo e 0,049" (1,24 mm) de espessura. Dimetros padres (TEMA, R-2-2): ; 1; 1; 1" e 2". Comprimento padro (TEMA R-2-1): 6 ps (1,83 m) ; 10 ps (3,05 m); 12 ps (3,66 m); 16 ps (4,88m) e 20 ps ( 6,10 m).

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1.2.5.2 Tubos aletados O emprego de tubos com superfcies ampliadas importante em casos onde o fluxo trmico limitado pela natureza dos fludos que trocam calor entre si, conjugada as condies de operao (queda de presso, sujeira, etc.) e fatores que dependem da economia do processo. A superfcie dos tubos ampliada pelos mais diferentes

Aletas Longitudinais

modos possveis, e a seleo do tipo de superfcie ampliada mais adequada a um problema vai depender da anlise completa das caractersticas do problema envolvendo fatores tais como, espao, limpeza, manuteno, corroso, custo. Os tubos aletados so classificados segundo dois critrios bsicos: A) Orientao das aletas; transversais ou longitudinais em relao ao tubo base. B) Altura das aletas; Tubos de alta aleta; aqueles nos quais as aletas se estendem acima da superfcie dos tubos; Tubos de baixa aleta; Os tubos de aletas so usados normalmente em permutadores bi-tubulares (tubos concntricos) e neste caso so usadas aletas longitudinais. Os tubos de aletas altas transversais so usados principalmente em permutadores de ar. Especialmente adaptveis ao permutador multipasse so os tubos de baixa aleta, com cerca de 16 a 19 aletas por polegada de comprimento, que tem uma relao de rea externa para rea interna de 3,5 aproximadamente. 16

Tubos de baixa aleta podem se usados economicamente quando o coeficiente de pelcula externo for menor que 1/5 do coeficiente de pelcula interno. 1.2.5.3 Tubos em U freqente seu uso quando h grandes gradientes de temperatura entre os fludos. Freqentemente os tubos em U so obtidos por dobramento de tubos lisos. Um problema do projeto de permutadores com tubos em U a determinao do comprimento efetivo dos tubos para o clculo da rea de troca de calor. 1.2.5.4 Arranjo de tubos no espelho Ao se fazer o arranjo dos tubos num permutador deseja-se obter o mximo de tubos numa dada seo transversal e ao mesmo tempo prover espao para o escoamento do fluido do casco e para uma boa limpeza. Existem dois tipos bsicos de arranjo de tubo: passo triangular e passo quadrado. A figura mostra como se podem dispor estes arranjos. Define-se "passo como a menor distancia centro a centro de tubos adjacentes". Caractersticas: Passo triangular: Usado geralmente quando o fluido do casco limpo ou se as incrustaes podem ser removidas por tratamento qumico. D melhores coeficientes de troca de calor que o arranjo quadrado, mas maior perda de presso. Seu uso e principalmente indicado em permutadores de espelhos fixos. Passo Quadrado : praticamente o nico tipo usado em refinarias, pois de fcil limpeza mecnica externa. Conduz a coeficientes de transferencia menores que o passo triangular. Evidentemente o arranjo alternado d melhor coeficiente que o arranjo em linha. O TEMA (R-2.5) especifica que o passo mnimo deve ser de 1,25 vezes o D.E. do tubo e que em arranjos quadrados, para facilidade de limpeza, a folga ou ligamento no deve ser menor que 1/4". Os passes mais comuns so dados na figura ao lado.

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1.2.5.5 Detalhes da Unio entre Tubos e Espelho Os tubos so fixados aos espelhos de diversas maneiras, entre elas citamos:

Solda de selagem: deve ser efetuada com cuidado, j que pode provocar deformaes no espelho, tensionamento, corroso e prejudicando futuras substituies de tubos. So utilizadas mquinas modernas como indicada na figura.

Mandrilamento: fora o tubo com extremidade ranhurada contra a parede do espelho, atravs de uma mquina operatriz giratria contendo na sua extremidade um mandril (semelhante ao de uma furadeira), provocando "amarrao" do tubo no espelho.

Engaxetamento: este tipo de encaixe dos tubos no espelho aplicado em trocadores de calor sujeitos a presses baixas que tambm nos quais h uma substituio muito freqente de substituio de tubos. So utilizadas buchas ou gaxetas (no um sistema muito comum em indstrias petroqumicas e refinarias). 18

1.2.6 Caracterizao de um Permutador (TEMA N 1)Para a caracterizao completa de um permutador, alm da designao do tipo, atravs da combinao de letras das trs colunas requer-se tambm uma indicao do seu tamanho, que feita atravs dos nmeros que medem respectivamente o dimetro e o comprimento nominal. Esta indicao deve preceder do tipo do permutador: 1.2.6.1 Dimetro Nominal a parte inteira, em polegadas, do nmero que mede o dimetro interno do casco. No caso de se tratar de um permutador com casco do tipo K, deve-se usar a parte inteira do nmero que mede a gola ou garganta do casco, seguido da parte inteira do nmero que mede o dimetro do casco propriamente dito. 1.2.6.2 Comprimento Nominal Usa-se o comprimento dos tubos, em polegadas. Para tubos em U o comprimento nominal dado pela reta que vai da extremidade do tubo at a extremidade que passa pelo retorno do feixe. 1.2.6.3 Exemplos de nomenclatura Damos a seguir alguns exemplos: 1) Cabeote flutuante com anel bipartido com tampo e carretel removveis, uma passagem no casco de 23 de dimetro e tubos de 16 ps (4,88 metros) de comprimento. Tamanho 23 - 192 tipo AES figura da pgina 9 2) Permutador tipo caldeira de cabeotes flutuante, com tampo e carretel removveis, 23" de dimetro da garganta e 27" de D.I. tubos de 16 ps (4,88 metros). Tamanho 23/27 - 192 AKT figura da pgina 9 3) Permutador de espelhos fixos com cabeotes boleados uma passagem no casco 17" de D.I. com tubos de 16 ps 4,88 metros). Tamanho 17 - 192 - Tipo B-E-M figura da pgina 9 4) Permutador com tubos em U, cabeote estacionrio boleado, 19" de D.I. e tubos de 7 ps ( 2,13 metros) de comprimento. Tamanho 19 - 84 Tipo CFU figura da pgina 10

1.2.7 EspelhosComo se viu os espelhos so discos metlicos que mantm os tubos na posio desejada e h vrios modos como podem ser feitos as ligaes tubo espelho, e os padres (TEMA R 7 . 24) para as ranhuras no espelho quando a unio do tubo com o espelho feita por expanso. Em alguns casos no qual passa pelos tubos fluido corrosivo ou muito quente ou ambos, se utilizam ferrolhos e clad (que um revestimento de proteo fixado ao espelho, 19

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

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

1.3 ESCOLHA DO FLUDO QUE PASSA NOS TUBOSPara a escolha do lado de passagem do fluido no permutador no h regras inflexveis, mas alguns critrios gerais podem nos orientar. Assim, em ordem aproximada de importncia, passam nos tubos:

1.3.1 Fludo mais sujo:Com depsitos, coque, sedimentos, catalisadores, etc.. mais fcil remover a sujeira dos tubos do que a do casco.

1.3.2 Fludo mais corrosivo:Alm de ser mais econmico usar tubos resistentes corroso, mais fcil substituir tubos furados do que cascos.

1.3.3 Fludo com mais presso:Porque o casco tem menor resistncia, por ser maior o seu dimetro.

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

1.3.5 gua de refrigerao:Por facilidade de limpeza.

1.3.6 Fludo de menor vazo volumtricaEm vista de o casco oferecer maior espao, Observao: Entre lquidos semelhantes, deve-se passar pelos tubos aquele de maior presso, maior temperatura e o mais corrosivo. Note-se que vapores condensveis so geralmente colocados no casco.

1.4 COLOCAO DE UM TROCADOR DE CALOR EM OPERAO1.4.1 Preliminara) Certificarem-se de todos os flanges cegos foram removidos; b) Certificar-se que todos os flanges estejam com as respectivas juntas de vedao e que todos os parafusos esto apertados; c) Certifica-se que o trocador esteja vazio de gua, se outro produto for usado;

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d) Certificar-se que todas s vlvulas (bloqueio, suspiros e drenos estejam fechados) e) Certificar-se que todos os plugues estejam apertados; f) Certificar-se que o isolamento trmico no esteja encharcado com material inflamvel e que esteja completo;

g) Caso no haja instalao fixa para drenagem e ventilao, providenciar mangueiras para esses pontos, alinhando-as para lugar seguro por questes de segurana pessoal e agresso ao meio ambiente.

1.4.2 Enchimento e Aquecimento dos Trocadores

Observaes: a) importante que os trocadores de calor sejam aquecidos lentamente, especialmente quando as temperaturas de operao so elevadas; A rpida entrada de um lquido a alta temperatura pode causar vazamentos, deformaes e rupturas no trocador, devido a expanso acelerada e ao choque trmico.

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b) Na partida entra primeiro o fludo mais frio. Se o fludo mais frio estiver ligeiramente quente, ento se deixa o mesmo entrar levemente. Quanto mais quente o fludo, mais lenta deve ser sua entrada no trocador. Tomando como exemplo o esquema acima, podemos iniciar a operao como se segue: 1) Abrir os suspiros "vents" : D, F, I 2) Abrir os drenos: B, J ; 3) Abrir lentamente a vlvula A de admisso do fluido mais frio. To logo aparea lquido nos drenos B e J, fech-los. Observaes: - No drenar o lquido para o cho, e sim direcion-lo para um lugar seguro e adequado; - Se o lquido mais frio estiver aquecido, mais lenta dever ser sua admisso. 4) To logo aparea lquido nos suspiros "vents" I, D, fech-los. Observao: - No drenar o lquido para o cho, e sim direcion-lo para um lugar seguro e adequado; 5) Esperar que a presso se elevasse e s ento destravar a vlvula de sada C, do lquido mais frio. Observao: - H trocadores que possuem instalao independente para enchimento. Valem as observaes dos nmeros 3 e 4. Assim que a presso de trabalho for atingido, destravar as vlvulas A e a sada C. Fechar linha de enchimento. 6) Estando o lado frio do trocador preparado, abrir lentamente a vlvula G, do lquido quente na sada do trocador de calor. Observaes: - To logo aparea lquido no dreno H fech-lo. Percebendo-se a existncia de gua prosseguir com a drenagem at esgot-la. - No drenar o lquido para o cho, e sim direcion-lo para um lugar seguro e adequado; - Observar a sada de ar atravs do suspiro F. Quando aparecer lquido fechar este suspiro - No drenar o lquido para o cho, e sim direcion-lo para um lugar seguro e adequado;

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7) Esperar que a presso deste lado do trocador se eleve e s ento destravar a vlvula E de entrada do fluido quente. Observaes: - H trocadores que possuem instalao independente para enchimento. Valem as observaes dos nmeros 3 e 4. Assim que a presso de trabalho for atingido, destravar as vlvulas E e G lentamente. 8) Estabelecer vazo pelo lado mais frio abrindo as vlvulas A e C. 9) Estabelecer vazo pelo lado mais quente abrindo as vlvulas G e E lentamente. Observao: - Quanto maior a diferena de temperatura entre os dois fluidos mais lento ser a admisso do fluido mais quente. 10) Assim que o trocador estiver em regime, anotar as temperaturas para acompanhamento operacional para se determinara seu desempenho durante o tempo.

1.4.3 Retirada de operaoObservaes: a) importante que os trocadores de calor sejam resfriados lentamente, especialmente quando as temperaturas de operao so elevadas; A rpida reduo de temperatura pode causar desigualdades na contrao do feixe tubular ou casco causado vazamentos, deformaes e rupturas no trocador. b) Na parada se retira primeiro o fludo mais quente. Levando em conta o mesmo esquema anterior, temos: 1) Fechar lentamente a vlvula E de entrada do fluido quente. 2) Assim que a vlvula E estiver fechado iniciar o fechamento da vlvula G de sada do fluido quente. Observaes: Verificar se a temperatura do trocador atinja a temperatura do fluido mais frio. 3) Fechar a vlvula A de admisso do fluido frio. 4) Fechar a vlvula C de sada do fluido frio. 5) Aliviar a presso do lado do casco abrindo o dreno H.

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Observao: Muito cuidado! Este lquido poder estar suficientemente quente podendo provocar vaporizao e conseqente situao de insegurana. 6) Aliviar a presso do lado dos tubos abrindo o dreno B. Observao: Muito cuidado! Este lquido poder estar suficientemente quente podendo provocar vaporizao e conseqente situao de insegurana. 7) No se observando sada de produto pelo drenos; abrir os suspiros F e D para acelerar o esgotamento do trocador. 8) Quando no se notar lquido nos drenos injetar vapor pelos suspiros F e D. Observao: - Quando no se notar sada de lquido juntamente com vapor, abrir o suspiro I e o dreno J. - Muita ateno! Aliviar vapor de purga para lugar seguro. Evite inalao deste vapor. 9) Quando o vapor de purga sai limpo ( de acordo com a prtica) fechar totalmente o vapor de purga. 10) Deixar esfriar o trocador para os servios de manuteno.

1.4.4 Condies de SeguranaA temperatura e a presso limites, nas quais devem trabalhar os tubos e o casco, esto especificadas na chapa do fabricante. Elas no devem ser ultrapassadas. Assim, nos resfriadores, a temperatura de sada da gua no deve ultrapassar um valor 50 oC, para evitar formao ou deposio de sais, aumento do problema de corroso, sobrecarga na torre de resfriamento, etc.

1.4.5 Falhas no Suprimento de guaA falta de suprimento de gua de resfriamento pode acarretar srias conseqncias. Se o fluido a ser resfriado muito quente, a interrupo da gua pode provocar grande aquecimento no equipamento e violenta vaporizao da gua que nele permanece. Se a gua voltar a circular, haver um resfriamento brusco no trocador. Esta mudana rpida de temperatura pode ocasionar o chamado "martelo hidrulico" ou "golpe de arete" devido a condensao do vapor d'gua com bloqueio de lquido bem como tambm folgar os parafusos afrouxando as juntas. 24

Caso surjam falhas no suprimento de gua de refrigerao, as medidas imediatas a serem tomadas devem ser, pela ordem, as seguintes; Abrir totalmente a(s) vlvula(s) de sada de gua, caso a(s) mesma (s) esteja(m) fechada(s). Providenciar entrada de equipamentos auxiliares para promover externamente a refrigerao do casco (spray, canhes, mangueiras). Preparar a unidade para reduo de vazo do produto que est sendo admitido no resfriador, inclusive at a paralisao do fluxo, se necessrio, caso esta anormalidade perdure por tempo mais longo. Caso o suprimento de gua de refrigerao se normalize, atuar na(s) vlvula(s) de sada de gua a fim de manter a estabilidade operacional do equipamento em funo do diferencial de temperatura.

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1.4.6 CondensadoDeve-se sempre drenar a gua de um aquecedor. O contato do vapor em alta velocidade com a gua causa o chamado martelo hidrulico, que nada mais do que um choque de gua em velocidade contra um obstculo. Este impacto pode vir a causar rupturas e deformaes no permutador.

1.4.7 Aquecimento de Linhas e Equipamentos em GeralDever sempre ser observado que, qualquer linha ou equipamento, quando frio, no poder receber fluxo ou produto de temperatura muito mais elevada, a no ser atravs de introduo lenta e gradual. Este procedimento visa principalmente proteger o equipamento em si e demais conexes.

1.4.8 Perda de Eficincia e LimpezaOcorre quando o permutador est sujo e no h eficiente troca de calor entre as partes. Nesse caso, o pessoal de manuteno deve retirar a tampa do carretel, a tampa do casco e a tampa flutuante. Camadas de graxa, lama e sedimentos frouxos podem ser removidas dos tubos com arames, escovas ou jatos de gua.

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Se os sedimentos estiverem muito agregados no interior dos tubos, entupindo-os, usam-se mquinas perfuratrizes. Em ltimo caso se providncia uma limpeza qumica.

1.5 TESTE HIDROSTTICOLogo aps os servios de manuteno que um trocador possa sofrer (limpeza, reparo de vazamentos em flanges, substituio ou plugueamento de tubos, etc.) so feitos testes de presso, geralmente com gua. Estes testes hidrostticos tm por objetivo verificar a existncia de vazamentos em qualquer ponto do trocador, notadamente nos espelhos do feixe tubular e tampas. alm de localizar algum tubo furado. O trocador cheio com gua limpa temperatura ambiente e pressurizado at a presso recomendada. Normalmente esta presso dada pela expresso:

Pteste = 1,5 Pproj de TrabalhoEm trocadores que trabalham com temperaturas elevadas, a presso de teste corrigida em funo da temperatura. De modo geral as presses de teste esto estampadas na placa de identificao do trocador. So executados dois testes hidrostticos nos trocadores: o teste do casco ou primeiro teste e o teste dos tubos ou segundo teste, ambos devem ser feitos contra flanges cegos e se a presso de teste se manter por 30 minutos, considera-se o teste aprovado.

1.5.1 Primeiro testePara a execuo do primeiro teste no se coloca a tampa do canal nem a tampa do casco, mas coloca-se o anel de teste conforme figura, para vedar a abertura entre o casco e o espelho flutuante. 1) Estando colocado o anel de teste, conforme figura, o casco cheio com gua limpa. Observaes: - Soprar com forte jato de ar comprimido o interior de todos os tubos, para remover toda a gua e sec-los. 26

- Purgar todo o ar que possa ficar aprisionado no casco. Ench-lo de baixo para cima. 2) Elevar a presso com auxlio da bomba de teste at a presso especificada na placa de identificao. Obs.: Garantir-se que o manmetro de teste tenha sido aferido 3) Atingida a presso, manter o casco bloqueado. Obs.: - Verificar atentamente a mandrilagem dos tubos nos dois espelhos. Marcar aqueles que vazam para posterior remandrilagem se forem necessrio. O remandrilamento sempre ser 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. - No caindo a presso de teste num prazo de 30 minutos considera-se o teste aprovado.

4) Remover o anel de teste aps despressurizar o casco e drenar toda a gua e preparar 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 gua limpa e elevar a sua presso, com a bomba de teste, at a presso recomendada na placa de identificao. Obs.: - Purgar todo o ar que possa ficar aprisionado dentro dos tubos. Encher de baixo para cima. - Garantir-se que o manmetro de teste tenha sido aferido. 27

3) Atingida a presso de teste, bloquear o feixe tubular. Obs.: Verificar atentamente os seguintes pontos da figura indicada por uma seta. Flange do flutuante. Reapertar se necessrio. Flange do canal junto ao espelho fixo. Reapertar se necessrio. Tampa do canal. Reapertar se necessrio.

4) No caindo presso num prazo de 30 minutos considera-se o teste aprovado. 5) Despressurizar e drenar toda a gua.

6) Recolocar a tampa do casco. 7) Remover todos os flanges cegos colocados para a execuo do teste. 8) Reinstalar todos os instrumentos, drenos, suspiros e plugues. 9) Reparar o isolamento trmico se estiver danificado. De modo geral, a vedao da tampa do casco e verificada durante o teste hidrosttico de toda a unidade, ou, durante o enchimento do trocador ao ser colocado em servio.

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

1.5.4 Verificao para Receber um Trocador aps Manuteno.Aps a finalizao dos trabalhos de manuteno em um trocador de calor, deve ser realizada uma inspeo cuidadosa em todo o equipamento. Por exemplo deve ser verificado: Que no 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 vedao, etc. etc.

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2 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS: TEMA - STANDARDS OF TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURES ASSOCIATION - 5TH EDITION PROCESS HEAT TRANFER - DONALD Q. KERN PRINCPIOS DA TRANSMISSO DE CALOR - FRANK KREITH APOSTILA DE TROCADORES DE CALOR - SENAI APOSTILA DO CURSO DE PS-GRADUAO - PETROBRAS - CENPEQ HEAT EXCHANGER DESIGN HANDBOOK - GULF PUBLISHING COMPANY

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