TROCADORES DE CALOR

PERMUTADORES DE CALORCLAUDIO REYNALDO BARBOSA DE SOUZATROCADORES DE CALOR

INTRODUO

DEFINIO E TIPOS

Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular ou multitubular constituem o grosso dos equipamentos de transferncia de calor com ausncia de chama. So equipamentos onde dois fluidos, com temperaturas diferentes trocam calor atravs de uma interface metlica ou no metlica (porcelana, vidro, etc.). Nas refinarias e indstrias petroqumicas, o permutador de calor empregado tambm para economizar calor, alm de atender s necessidades do processo.

Os permutadores podem ser identificados pelo tipo ou pela funo. De acordo com a funo podemos fazer a seguinte classificao geral:

A. AQUECIMENTO

A.1) AQUECEDOR (HEATER)

Este permutador fornece calor sensvel a um lquido ou gs mediante a condensao de vapor dgua ou de um lquido trmico, como por exemplo, o Dowtherm.

A. 2) REFERVEDOR (REBOILER)

Quando vaporiza um lquido por meio de vapor dgua ou outro fluido quente. So utilizados para prover calor s torres de destilao vaporizando parte do produto de fundo.

A.3) REFERVEDOR A TERMOSIFO

A circulao do meio fervente provocada pela existncia de suficiente diferena de presso.

A.4) REFERVEDOR DE CIRCULAO FORADA

Usa-se uma bomba para forar a passagem do lquido pelo refervedor.

A.5) GERADORES DE VAPOR (STEAM GENERATOR)

Quando gera vapor dgua aproveitando o calor de um lquido quente proveniente do processo.

B. RESFRIAMENTO

B.1) RESFRIADORES (COOLER)

Quando resfria fluidos do processo usando gua como meio de resfriamento. O abaixamento da temperatura dos lquidos a serem armazenados evita as perdas dos componentes leves.

B.2) CONDENSADOR

Quando condensa um fluido usando gua como fluido refrigerante. So usados para recuperao de vapores de colunas de destilao, bem como para condensao do vapor exausto das turbinas, reduzindo a presso de descarga das mesmas.

B.4) CONDESADOR FINAL

Condensa os vapores at uma temperatura de armazenamento, prxima de 37C. usa-se a gua como refrigerante, o que significa que o calor do processo perdido.

B.5) CONDENSADOR PARCIAL

Condensa um vapor para provocar a diferena de temperatura suficiente para pr aquecer uma corrente fria num fluido do processo. Com isso economiza-se calor e elimina-se a necessidade de um pr-aquecedor separado que use chama ou vapor dgua.

C. INTERCAMBIADORES (EXCHANGER)

Quando h troca de calor entre dois fluidos do processo. Executa uma dupla funo: aquece um fluido usando outro fluido mais quente que se resfria. No h perda de calor transferido.

D) VENTILADORES

Quando se condensa gases/vapores do processo passando no interior de uma grande serpentina de tubos aletados, atravs da sopragem com ar por meio de grandes ventiladores, acionados por motores eltricos. Podem ser construdos com tiragem forada ou induzida.

E) CAIXA FRIA (COLD BOX EXCHANGER)

Quando resfria gases a temperaturas criognicas, atravs da passagem em uma caixa, cujo interior est equipado com vrias placas corrugadas. Tem a funo semelhante aos intercambiadores, isto , h um duplo aproveitamento, um sentido de ganho de frigorias que possibilitam a condensao dos compostos mais pesados, constituintes do gs e, no outro sentido o aproveitamento dos condensados j em grau mais ou menos definido de separao, so expandidos em vlvulas que promovem grandes diferenas de presso (flash), decorrendo da um ganho adicional de frigorias que ajudar a resfriar as correntes citadas anteriormente.

DESCRIO CONSTRUTIVA

Os principais componentes dos trocadores de calor so: casco, tubos, espelhos, carretel.Os acessrios so: chicanas, tirantes e espaadores, flanges, juntas, quebra-jato, chapas defletoras, conexes e suportes.

CASCO

a parte central do trocador, pode ser construdo a partir de tubos de 24 de dimetro nominal ou de chapas calandradas e soldadas a partir de 13 de dimetro so fabricados normalmente de ao carbono, porm podem ser fabricados em aos ligas .

Exemplos de cascos:

ESPELHOS

Os espelhos so discos metlicos, nos quais os tubos so conectados, mantendo-os, desta maneira, na posio desejada. Podem ser fixo do lado do carretel ou mvel dentro do casco.

ARRANJO DOS TUBOS NO ESPELHO

O arranjo dos tubos nem permutador p desenhado de modo a obter-se o mximo de tubos em uma seco transversal. Deve-se, entretanto, manter certa distncia entre os centros dos tubos para prover espao suficiente para o escoamento do fluido no casco. A essa distncia denominamos de passo.Existem dois tipos bsicos de arranjos de tubos que satisfazem estas condies:

PASSO QUADRADOAcomoda menos tubos, portanto, menos eficiente em termos de troca trmica. Produz uma menor perda de presso. mais utilizado, pois permite uma limpeza mecnica externa.

PASSO TRIANGULARPode acomodar um maior nmero de tubos num mesmo dimetro de casco, por este motivo provoca uma maior turbulncia. A combinao de um maior nmero de tubos com uma maior turbulncia produz maior eficincia de troca trmica. A perda de presso, porm maior do que no passo quadrado e so mais difceis de limpar.

CHICANAS E ESPAADORES

As finalidades das chicanas orientar o fluxo de modo que ele permanea mais tempo dentro do casco do permutador. Estas acarretam turbulncias no fluido que percorre o lado do casco, resultando numa maior eficincia na troca trmica. Mantm ainda os tubos na posio desejada evitando que sofram esforos de flexo.

QUEBRA-JATO

uma chapa colocada sobre o feixe de tubos logo na entrada do produto do casco, objetivando proteger os tubos contra eroso.

PERMUTADOR DE ESPELHOS FIXOS

A figura abaixo mostra um exemplo de permutador de espelhos fixos. As partes essenciais so:

Casco que a parte externa central do permutador;Carreteis ou cabeotes e tampas dos carreteis que so as partes extremas do permutador;Feixe tubular constitudo dos espelhos que mantm os tubos na posio desejada. Neste tipo de permutador de calor os espelhos so soldados ao casco, servindo tambm como flanges aos quais os carretis so parafusados.Chicanas que orientam o fluxo do casco, mantendo ainda os tubos na posio desejada, evitando que sofram esforos de flexo.Espaadores que mantm o conjunto de chicana na posio.

A funo das chicanas acarretar turbulncia no fluido que percorrer o lado do casco. Este estado de turbulncia resulta em maior eficincia na troca de calor.

3. TRAJETRIA DO FLUDO

Quando os dois fluidos percorrem o permutador na mesma direo, diz-se que esto em paralelo, quando em direes opostas, como mostrado abaixo, diz-se que esto em contra-corrente, sendo este o tipo de fluxo normalmente utilizado. Abaixo mostrado os perfis de temperatura de dos fluidos em paralelo e em contra-corrente ao longo do permutador de calor. No fluxo em contra-corrente a temperatura do fluido frio pode ultrapassar a menor temperatura do fluido quente, o que no pode ocorrer no fluxo em paralelo.

4. PASSES DOS PERMUTADORES DE CALOR

O permutador abaixo, de uma passagem no casco, j que o fluido frio percorre o mesmo s uma vez. Este tipo de casco o mais comum embora sejam utilizados tambm os de duas passagens no casco, os de fluxos divididos por defletores e os demais tipos apresentados a seguir. Evidentemente cada um deles tem sua aplicao e interesses especficos.

Permutador de calor com um passe no casco e dois passes nos tubos.

Permutador de calor com feixe de tubos em U, com dos passes no casco e dois passes nos tubos.

Permutador de calor com um passe no casco e um passe nos tubos.

De maneira anloga o permutador apresenta uma passagem nos tubos, pois estes se constituem em uma nica seo de passagem. comum permutadores que apresentam vrias passagens nos tubos, possuindo esto divises nos carreteis (cabeotes) que encaminham o fluido dentro dos tubos, formando os passes.

Abaixo so demonstrados os arranjos dos divisores de passes para diversos nmeros de passagens. Nmero crescente de passes, tanto nos tubos como no casco, determinam a uma velocidade menor dos fluidos o que favorece a troca de calor.

Espelho fixoEspelho flutuante

Dois passes

Quatro passes

Oito passes

Nos permutadores de espelhos fixos o lado externo dos tubos inacessvel limpeza mecnica, sendo utilizado apenas quando o fluido do lado do casco limpo, no sendo recomendados quando h processos corrosivos severos.

MATERIAIS USADOS NOS PERMUTADORES DE CALOR

A Tubular Exchager Manufactors Association (TEMA) publica normas para projeto e construo de permutadores de casco e tubos. Estas especificaes servem para trs classes de permutadores: Classe R, para condies severas de processamento de petrleo e produtos qumicos que so por sua natureza servios rigorosos, onde se deseja obter segurana e durabilidade. Classe C, para condies moderadas de operao tendo em vista a mxima economia e o mnimo tamanho, condizentes com as necessidades de servio. Classe A, para condies severas de temperatura e fluidos altamente corrosivos.

Os materiais especificados para tubos e cascos so:

TUBOS

Os tubos podem ser lisos ou aletados.

Os tubos lisos so mais comumente encontrados na indstria, sendo padronizados em 4 dimetros (3/4 , 1 e 1 ).

Os tubos aletados aumentam a troca de calor devido ao aumento da rea externa de troca, acarretando, porm, maior perda de presso no lado do casco.

Os materiais utilizados obedecem s especificaes mnimas para uma determinada aplicao: ao carbono normalmente utilizado para meios no agressivos; aos liga, lates, bronzes, ligas de alumnio e duplex utilizados em diversos meios corrosivos e materiais no metlicos para condies especiais e extremamente corrosivas.

B) CASCO

Pode ser construdo a partir de tubos at 24 de dimetro nominal ou, de chapas calandradas e soldadas a partir de 13 de dimetro. So fabricados normalmente em ao carbono sendo encontrados tambm em aos liga e ligas de alumnio quando de tubo, em aos liga, ligas de nquel e ligas de cobre quando de chapa.

ESCOLHA DOS FLUIDOS

Os permutadores j construdo para receber determinados produtos nos tubos e no casco. No existem regras fixas que estabeleam qual o tipo de fluido deve passar pelo tubos ou pelo casco.

Evidentemente a escolha do fluido deve atender s melhores condies do processo, ao menor custo de construo e a fcil manuteno. De uma maneira geral passam:

TUBOS

Fludo mais sujo. Co depsitos, coques, sedimentos, catalisadores, etc. porque mais fcil remover a sujeira dos tubos que do casco.Fluido mais corrosivo. Pois, alm de ser mais econmico usar tubos resistentes corroso do que o casco com a mesma propriedade, mais fcil substituir tubos furados do que o casco. Outro fator preponderante, que passando um produto corrosivo nos casco, o ataque ocorre tanto nos tubos quanto no casco, o que encarece a construo do equipamento. Fluido com maior presso. O casco apresenta menor resistncia devido ao seu maior dimetro. Fluido menos viscoso. A menos que a perda de carga deva ser muito baixa.gua de refrigerao. Devido a facilidade de limpeza. O fluido de menor vazo volumtrica. Este critrio em funo do casco apresentar maior espao para a passagem do produto.

Entre lquidos de propriedades semelhantes, deve passar pelos tubos aquele de maior presso, maior temperatura e mais corrosivo.

INSTRUMENTAO DO PERMUTADOR DE CALOR

A instrumentao aplicada aos permutadores de calor, varia com a finalidade deste no processo. Assim, a instrumentos medidores de temperatura, vazo e presso podem ser encontrados nas tubulaes de entrada ou sada de um permutador, tudo dependendo nas necessidades de controle do processo.

regra geral que num resfriador ou numa srie de resfriadores, deva haver um indicador de temperatura local na sada da gua de refrigerao.

Analisadores on line podem ser instalados em situaes especiais de processo, observando-se que estes devem ser instalados na sada do produto de menor presso. Estes analisadores permitem a deteco de vazamentos no permutador de calor.

OPERAO

NORMAS DE OPERAO

CONDIES DE SEGURANA

A temperatura e a presso limites, nas quais devem trabalhar os tubos e o casco, esto especificados na placa de identificao pregada no permutador. Elas no devem ser ultrapassadas. Assim nos resfriadores a temperatura de sada da gua no deve exceder um certo valor (70C) para evitar deposio de sais.

AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO

Tanto na partida como na parada, os permutadores de calor devem ser aquecidos e resfriados lentamente. Isto particularmente importante quando as temperaturas de operao so elevadas. A rpida entrada de um lquido a alta temperatura pode provocar desigualdade de expanso nos tubos, causando vazamentos nos mesmos e deformao de feixe.

PARTIDA E PARADA

Na partida entra primeiro o fluido mais frio. Se o mais frio est ligeiramente quente, ento deixa-se o mesmo entrar lentamente. Quanto mais quente o fluido, mais lenta dever ser a sua penetrao no permutador de calor.

Na parada corta-se primeiro a entrada do fluido mais quente. Se isso no for observado, podem haver vazamentos nos tubos.

SUPRIMENTO DE GUA

Falha no suprimento de gua para um resfriador pode trazer srias conseqncias. Quando o fluido a resfriar muito quente, a interrupo da gua pode provocar um grande aquecimento do equipamento. Se a gua volta a circular, haver um resfriamento brusco do permutador. Esta mudana rpida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas. Alm disso a unio tubo / espelho pode tambm afrouxar (ou trincar) e permitir vazamentos.

CONDENSADO

Sempre se deve drenar a gua de um ebulidor ou aquecedor para evitar o fenmeno chamada de martelo hidrulico. Isto pode ser explicado da seguinte maneira: supondo-se gua acumulada nos tubos do ebulidor e abrindo a vlvula de vapor dgua, este vai conduzir a gua a uma grande velocidade at encontrar um obstculo, provocando um grande choque. Este impacto severo (martelo hidrulico), pode causar ruptura do material.

EJETORES

Condensadores e resfriadores situados em locais elevados, so munidos de ejetores na sada da gua de refrigerao. Os ejetores s funcionam na partida. Provocam suco na linha, facilitando a subida da gua para o permutador. Estes equipamentos trabalham com ar comprimido ou vapor.

CAUSAS DE PERDA DE EFICINCIA

O permutador est sujo e no h eficiente troca de calor;A tubulao que se liga ao permutador de calor no fornece a vazo necessria para a qual o equipamento foi projetado;As condies de operao diferem daquelas para as quais o permutador de calor foi projetado;Existncia de vazamentos devido a corroso ou falhas mecnicas.

MANUTENO

LIMPEZA

A eficincia do permutador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operao, a sujeira se acumula dentro e fora dos tubos, prejudicando grandemente a troca de calor, como tambm aumenta a queda de presso dos fluidos. Essas sujeiras so depsitos de sais, slica, produtos de corroso, coque, areia, p de coque, folhas, fibras vegetais, camadas de graxas, corpos de micro-organismos, etc.

O permutador de calor que durante a operao diminui sua eficincia, anotado para que durante a parada da unidade seja limpo e inspecionado, desde que no se tenha flexibilidade de parada durante a campanha operacional. Entre os processos de limpeza do permutador de calor, pode-se citar os seguintes:

LIMPEZA POR GUA EM CONTRA CORRENTE (BACK-WASH)

utilizada em condensadores e resfriadores que utilizam gua salgada no tratada como fluido refrigerante. O processo consiste em inverter o fluxo dgua nos tubos com o equipamento em operao, possibilitando a remoo de detritos frouxamente agregados aos tubos, atravs de dreno apropriado.

LIMPEZA POR VAPOR (STEAM OUT)

Para limpeza por este processo o permutador de calor retirado de operao, embora no precise ser desmontado. Passa-se vapor pelo casco e pelos tubos, entrando por um vent e carregando a sujeira por um dreno. Esse mtodo eficiente para remover camadas de graxa ou depsitos agregados frouxamente nos tubos e no casco do permutador.

LIMPEZA QUMICA

O processo de limpeza qumica consiste na circulao, em circuito fechado, no lado dos tubos e no lado do casco, de uma soluo cida adicionada com inibidor de corroso. A soluo desagrega os resduos permitindo a sua remoo, e o inibidor impede o ataque do metal pela soluo. Aps a limpeza feita a neutralizao mediante uma soluo alcalina fraca, seguida de abundante circulao de gua. Evidentemente o permutador de calor no precisa ser desmontado.

LIMPEZA MECNICA

Neste caso o permutador precisa ser desmontado. O pessoal da manuteno retira a tampa do carretel, a tampa do casco e tampa do espelho flutuante. Camadas de graxa e sedimentos frouxos podem ser removidos dos tubos por meio de arames, escovas ou jatos dgua. Se os sedimentos internamente aos tubos esto muito agregados, entupindo-os, ento usam-se mquinas perfuratrizes. Estas constam, essencialmente, de um eixo metlico que girando dentro dos tubos, expulsa os detritos. No recomendado para feixe de tubos em U.

LIMPEZA POR VAZAMENTO

Consiste na limpeza por introduo nos tubos de varetas metlicas que removem as sujeiras na forma de lama e depsitos no incrustntes. Usada quando o comprimento do trocador pequeno.

LIMPEZA POR HIDROJATEAMENTO

Este tipo de limpeza um dos mais eficiente, por isso inclusive o mais emprego. Caracteriza-se pelo emprego de varetas com jatos de gua saindo pelas suas extremidades em presses que podem alcanar at 10.000 psig.

LIMPEZA POR LEITO SLIDO

o mais moderno e eficiente meio de limpeza pois alcana o grau As 3,0 na Norma sueca, conhecido como Limpeza ao Metal Branco. Consiste em um leito formado por pedras e pedriscos de granulometria adequada, turbilhonados direcionados por ar comprimido. um sistema fechado, que atende mais rigorosas exigncias de proteo ambiental. o sistema recomendado para limpeza do casco e dos carreteis e espelhos.

TESTE DE PRESSO

Aps a parada para manuteno dos permutadores de calor h necessidade de submet-los a teste de presso a fim de verificar a resistncia mecnica das juntas soldadas, da mandrilagem/selagem dos dispositivos de vedao e de todo o conjunto.

As principais recomendaes a respeito de teste de presso so as seguintes:

O permutador dever ser testado com gua e a presso mantida pelo menos durante 30 minutos ou conforme a determinao do projeto. O casco e o feixe tubular devero ser testados separadamente de maneira que possveis vazamentos na mandrilagem dos tubos sejam verificados pelo menos e um lado.A presso do teste hidrosttico temperatura ambiente dever ser 1,5 vezes a presso de projeto corrigida para a temperatura, isto :

Pt = 1,5 projeto x Sa SPt = presso do teste hidrostticoProjeto = presso de projetoSa = tenso admissvel temperatura do testeS = tenso admissvel temperatura do projeto

Quando no for possvel o teste com gua, poder ser feito o teste pneumtico, devendo a presso do teste ser elevada gradualmente at a metade da presso de teste hidrosttico e a partir da, aumentada em etapas de 1/10 da presso de teste. Atingidas as condies de teste a presso deve ser reduzida de 1/5 e ento realizada a inspeo.

No teste do casco podero em geral, ser localizados os seguintes vazamentos:

Mandrilagem dos tubos;Junta soldada / selagem entre casco e espelho fixo;Tubos;Casco e conexes.

O teste do feixe de tubos permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes pontos:

Tubos;Junta da tampa do carretel;Junta entre carretel e espelho fixo;Junta da tampa flutuante;Carretel, sua tampa e conexes;Tampa flutuante.

Especificamente para os diversos tipos de permutadores de calor, so apresentadas as figuras a seguir que demonstram os diversos testes na seqncia de montagem do permutador, indicando atravs de setas os locais onde a vedao deve ser verificada.

BATERIAS DE PERMUTADORES

Os trocadores de calor podem ser ligados em srie, em paralelo e de forma mista. Nas baterias em srie temos uma maior troca de calor, j que o produto permanece mais tempo no interior do permutador. Na bateria em paralelo trabalha-se com uma maior capacidade de vazo de produto, sendo sua troca trmica mantida praticamente a mesma em cada permutador de calor.

J na bateria mista encontramos trocadores instalados em srie e em paralelo. Neste ltimo arranjo, temos um somatrio das caractersticas de cada tipo de bateria em separado.

RAZES PARA INSPEO

Avaliar as condies de integridade, a taxa de corroso e a causa de deterioraes, para que de posse destes dados possa-se:

Planejar reparos e substituir componentes;Evitar ou retardar deterioraes;Evitar paradas no programadas;

Segurana

Evitar riscos de contaminao;Risco de falhas com vazamentos;Evitar perdas de produtos;Evitar a mistura de produtos que podem levar a um descontrole da unidade industrial.

Garantir a continuidade e eficincia operacional.

Reduo dos custos de manuteno.

LOCAIS SUSCEPTVEIS CORROSO

reas dos tubos, externamente na direo das conexes de entrada;Casco em torno das conexes;reas do casco adjacente s chicanas e espelhos;Locais sujeitos a temperatura mais altas em servios com gua;Trincas so mais susceptveis em locais de mudanas bruscas de formato ou dimenses, na regio de mandrilhamento / selagem e expanso dos tubos, ao longo da costura dos tubos;Locais de mudana de direo quando em alta velocidade;reas do casco adjacentes a quebra jatos e chicanas so susceptveis corroso-eroso especialmente em velocidades altas.

INFORMAES PARA INSPEO

CASCO, CARRETEIS E TAMPA DO CASCO

Inspeo geral das superfcies interna e externa (visualmente). Deve-se utilizar martelo e raspador nesta face. Um marcador pode ser utilizado para destacar reas com pites, trincas e locais atacados pela corroso.A profundidade de alvolos e pites deve ser avaliada.Martelamento para pesquisar redues de espessura.Sedes de junta devem ser examinadas quanto corroso / eroso. Pode-se utilizar uma rgua para testar a planicidade das superfcies de vedao.Deformaes e empolamentos (inspeo visual). Deve-se medir a espessura e os dimetros dos empolamentos.Soldas devem ser examinadas.Corroso-eroso em reas adjacentes s chicanas aparecero como aneis regularmente espaados. Isto pode ser verificado com um foco de lanterna paralelo a chapa.Depois da inspeo visual completa, parte-se para o exame dimensional com nfase para a medio de espessura.As conexes devero ser inspecionadas quanto a corroso, eroso e empenos.

FEIXE TUBULAR

Inspeo visual preliminar, a fim de se verificar o tipo de corroso.Sempre que possvel, acompanhar a remoo do feixe, a fim de observar a sujeira e/ou incrustaes, que podero ajudar no equacioamento dos problemas de corroso existentes. Exemplos: uma escamao generalizada pode indicar ataque generalizado; ausncia de vestgios de corroso prximo a conexo de entrada pode indicar um processo erosivo.Durante a inspeo visual, algumas vezes necessrio utilizar-se um raspador ou picador a fim de expor reas no suficientemente limpas, principalmente aquelas prximas aos espelhos e chicanas; extremo cuidado dever ser tomado para no mascarar descontinuidades pequenas.A perda de espessura dos tubos pode ser verificada atravs do ensaio no destrutivo pelo mtodo de correntes parasitas.Um item a se examinar a folga existente entre os tubos e as chicanas. Folgas excessivas podem indicar que os tubos ou as chicanas, ou ambos esto corrodos. Isto ocasiona perda de eficincia do permutador de calor.Os tubos devem ser inspecionados quanto a empenos.As superfcies internas so inspecionadas visualmente com o auxlio de lanternas, boroscpios, endoscpios. A avaliao dimensional e quanto presena de descontinuidades, por correntes parasitas.Deve-se remover tubos de reas selecionadas para uma anlise mais detalhada.Deve-se executar inspeo visual em espelhos, chicana e tampas flutuantes quanto corroso. Empeno nos espelhos pode ser verificado com rgua, principalmente nas superfcies de vedao. Ainda, com a inspeo visual verificam-se mossas e outras descontinuidades nas superfcies de vedaes.

DETALHES CONSTRUTIVOS

TROCADOR DE CALOR DO TIPO REFERVEDOR

DETALHE DO CASCO

FEIXE TUBULAR E CHICANAS