Trocadores de Calor

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Curso para Operadores de Processo

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Trocadores de Calor

  1. 1. TROCADORES DE CALOR eteX Eduardo Teixeira Neto – Curso de Segurança em Operação de Processo – Refinaria RiograndenseeteX 1
  2. 2. DEFINIÇÃO Um trocador de calor é um dispositivo termodinâmico que permite a troca de calor entre dois ou mais fluidos a temperaturas diferentes. São amplamente utilizados em processos industriais onde se deseja aquecer ou resfriar um fluido. eteX 2
  3. 3. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Casco / Tubos Componentes básicos de trocador casco e tubos: - Casco (1) - Feixe de tubos - Espelhos (2) - Defletores (ou chicanas) (5) - Cabeçotes (3 - carretéis e 4 - tampo) - Tirantes (6) 3 eteX 3
  4. 4. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Casco / Tubos Defletores ou chicanas  conduzem o escoamento do fluido de forma ora cruzado, ora paralelo, o que ocasiona certa turbulência e um maior tempo de residência do fluido do casco, levando a um aumento da transferência de calor  ajudam a suportar os tubos no interior do casco, evitando a flexão dos mesmos orifícios anulares, disco e anel e segmentados eteX 4
  5. 5. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Casco / Tubos Cabeçotes  cabeçote estacionário: está ligado ao feixe de tubos e serve para admissão ou admissão e descarga do fluido dos tubos  cabeçote de retorno: dá acabamento ao casco ou descarga do fluido dos tubos. eteX 5
  6. 6. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Casco / Tubos Cabeçotes estacionários:  Tipos A e B podem ser A e C permitem inspeção removidos sem a remoção dos tubos  Tipos dos tubos sem a remoção do cabeçote Cascos:  Tipo E - mais usado  Tipos G, H e J para reduzir a perda de pressão do fluido do casco e ainda no caso de condensadores em série  Tipo K é usado como refervedor ou em refrigeradores e deve ter o diâmetro do casco bem maior do que o do feixe para prover espaço para o vapor formado. Cabeçotes de retorno:  Espelho fixo: Tipos L, M e N são iguais aos cabeçotes estacionários A, B e C.  Cabeçote flutuante ou tubo em U: são usados quando há um grande diferencial de temperatura entre os fluidos e torna-se necessário prover o trocador para a dilatação do feixe de tubos (P, S e T) eteX 6
  7. 7. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Casco / Tubos Trocadores com espelhos fixos:  construção simples  o fluido do lado do casco é limpo e não corrosivo (Não se consegue atingir o lado do casco, para limpeza mecânica e a limpeza química é as vezes insatisfatória)  o diferencial de temperatura entre os fluidos não for grande - pressão no lado do casco á alta comparada com a dos tubos Trocadores de cabeçote flutuante:  espelho é móvel, permite o movimento entre casco e tubos ou uma expansão térmica diferencial entre o feixe de tubos e o casco.  o feixe de tubos pode ser removido para inspeção, limpeza exterior, ou troca dos tubos. Pode-se fazer a manutenção de cabeçotes, e outros componentes no lado do casco, e também fazer a limpeza no interior dos tubos. Trocadores com tubos em U:  simplicidade de fabricação  fácil remover o feixe de tubos, sendo portanto o tipo mais econômico  a seção dobrada em U é livre para expandir-se no lado casco.  o fluido que escoa nos tubos deve ser limpo, devido à dificuldade de limpeza dos tubos dobrados  -difícil a substituição dos tubos individualmente Fixo Flutuante eteX 7
  8. 8. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Casco / Tubos Feixe de tubos: Tubos lisos: - diâmetros padrões: ¾ in, 1 in, 1 ¼ in, 1 ½ in e 2 in - comprimento padrão: 8, 10, 12, 16 e 20 ft - Tubos aletados: - a superfície ampliada dos tubos vai depender do espaço, limpeza, manutenção, corrosão e custo. - os tubos aletados são classificados segundo: - orientação das aletas: transversais ou longitudinais em relação ao tubo base. - altura das aletas: tubos de alta aleta e tubos de baixa aleta - Tubos em U: - problema na determinação do comprimento efetivo dos tubos para o cálculo da área de troca térmica. Materiais de construção dos tubos e dimensões: - aço, cobre, latão, liga cobre - níquel, bronze alumínio e os aços inoxidáveis, titâtio. - as dimensões mais comuns são ¾ in e 1in de diâmetro externoeteX 8
  9. 9. TIPOS DE PASSAGEM EM TROCADORES DE CALOR Corrente Paralela: O trocador com passagem em corrente paralela é usado quando se deseja uma transferência de calor muito grande no início, com rápido resfriamento. Exemplo: Na pasteurização, o leite deve se submetido logo no início a uma temperatura de 80°C para eliminar bactérias, e deve ser resfriado rapidamente para não alterar suas propriedades e paladar. Contra Corrente: é a utilização mais comum de passagem em trocadores de calor. Os fluidos percorrem o trocador em sentido contrário. eteX 9
  10. 10. Trocador Casco e tubos eteX 10
  11. 11. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Trocadores de Placas Os trocadores tipo placa são disponíveis em diversas formas diferentes: espiral; placa; placa e aleta soldada; placa aletada e tubo. Dos quatro modelos acima, destacaremos o trocador de calor tipo placa e quadro consiste de vários módulos semelhantes à montagem de um filtro prensa. A vantagem é a pequena perda de carga, o número de placas pode ser aumentado ou diminuído conforme a necessidade, boa eficiência térmica. São utilizados em petroquímica , motores de combustão. eteX 11
  12. 12. Trocador de Placas eteX 12
  13. 13. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Trocadores de Serpentina Este tipo de trocador de calor é muito específico na indústria, e apresenta uma série de configurações, dependendo do tipo de aplicação e do tipo do equipamento. De uma maneira geral, a configuração é helicoidal ou espiral, muito utilizado em torres de absorção, vasos circulares com agitadores mecânicos, tanques de armazenagem de óleo combustível, tanques de soluções salinas para evitar cristalização, em tanques de fusão (enxofre, por exemplo), etc. Também são utilizados como resfriadores para selos mecânicos de bombas. eteX 13
  14. 14. TIPOS DE TROCADOR DE CALOR  Trocador Duplo Tubo TIPO MAIS SIMPLES DE TROCADOR DE CALOR, CONSTA DE UM TUBO, POSICIONADO CONCENTRICAMENTE A OUTRO TUBO QUE FORMA A CARCAÇA (DOUBLE- PIPE).NORMALMENTE UTILIZADO PARA BAIXAS VAZÕES. eteX 14
  15. 15. TUBOS DE TROCADOR DE CALOR  Lisos Com e sem costura  Aletados  Em formato de U eteX 15
  16. 16. APLICAÇÕES DOS TROCADORES DE CALOR Aquecedores de carga: Pode ser petróleo ou outra matéria prima, normalmente trocam calor com produtos que vem da torre de destilação principal e estão numa área chamada de preaquecimento. Devido a temperatura de trabalho (30 a 400°C), são de aço carbono ou aço liga tanto os tubos como o casco dos trocadores. Resfriador de produtos destilados e de processo: resfriam produtos destilados nas unidades de processo para que possam ir para armazenamento em tanques. A agua de refrigeração vai nos tubos, por ser mais sujeita a sujeira. A agua utilizada na RPR é salobra (um pouco salgada), neste caso os tubos são de latão, material que resiste a agua salgada e o casco normalmente de aço carbono. Condensadores de Nafta, Gasolina e GLP: Tem a função de resfriar e condensar destilados leves. Podem ser de condensação total ou parcial. Assim como os resfriadores a agua de refrigeração salobra passa nos tubos e o casco é de aço carbono. Alguns condensadores como das Destilações atmosféricas e Craqueamento Catalítico são com tubos de titânio, possuem alta resistência a corrosão e são extremamente duráveis e caros. Substituíram os tubos de latão em alguns equipamentos sujeitos a exposição a compostos de Nitrogênio, como a amônia, presente em destilações atmosféricas e Craqueamento catalítico. Compostos de Nitrogênio atacam ligas de cobre, que é um componente do latão.eteX 16
  17. 17. APLICAÇÕES DOS TROCADORES DE CALOR Condensadores de vapor saturado: São os chamados “Air Coolers”, são tubos aletados por onde passa o vapor saturado de turbinas para ser condensado e retornar como agua quente para a alimentação de caldeiras. O trocador é aberto e um ventilador sopra ar através dos tubos aletados, por onde passa internamente o vapor saturado. Também são utilizados para resfriar hidrocarbonetos. eteX 17
  18. 18. APLICAÇÕES DOS TROCADORES DE CALOR P 105 P 104 P 102 P 103 E 110 GÁS ÓLEO P/ U4000 ou TQ D 101 H 101 YE 7011 E 103 E 102 VAPOR E 101 P 101 E 106 E 107 E 108 2ºSTP P/ TQ VAPOR P 106 VAPOR GASOL. p/ TQ ou U10000 GÁS P/ FLARE GÁS P/ GD1 Refluxo E 104 B E 104 A YP 7011 1ºSTP P/ TQ VAPOR VAPOR 3ºSTP P/ TQ TQ PETRÓLEO VAPOR E 105 YD7011 T 101 T 102 1ºSTP Dessalgador Cond. p/ U710 Cond. p/ D751 (U750) T 103 2º STP T 104 3º STP Diagrama Esquemático da Unidade de Destilação Atmosférica U-100 da RPR . Realçados os trocadores de calor. Verde: resfriadores Vermelho: Condensador Magenta: Aquecedores eteX 18
  19. 19. FLUIDO NOS TUBOS  Fluído mais sujo: É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que a do casco.  Fluído mais corrosivo: É mais fácil substituir tubos furados do que cascos.  Fluído com mais pressão: Porque o casco tem menor resistência, por ser maior o seu diâmetro.  Fluído menos viscoso: A menos que a perda de carga deva ser muito baixa.  Água de refrigeração: Por facilidade de limpeza. eteX 19
  20. 20. LIMPEZA DE TROCADORES DE CALOR eteX 20
  21. 21. DICAS OPERACIONAIS Pressões: Se as pressões de operação estão dentro dos parâmetros operacionais colocados na placa de indicação do equipamento. Diferencial de pressão: Este é um item interessante de ser acompanhado pelo operador de processo. O aumento do diferencial de pressão tanto do lado dos tubos, quanto do casco para uma mesma situação do processo, pode informar que está iniciando uma incrustação. Os tubos geralmente são mais sujeitos a este item, pois escolhemos normalmente o fluido mais sujo para passar por estes. Neste caso deve-se planejar uma limpeza, pois teremos uma redução da eficiência de troca térmica. Temperaturas: Verificar se as temperaturas de trabalho estão dentro das especificações do equipamento. Os resfriadores por exemplo são projetados para a agua no lado quente sair com no máximo 50°C, devido a incrustação de sais nos tubos, reduzindo a capacidade de troca e no caso do latão levando a ocorrência de furos nos tubos, fazendo com que o produto de casco com pressão maior entre na agua contaminando o sistema ou vice-versa. eteX 21
  22. 22. DICAS OPERACIONAIS Resfriadores de selo de bombas: Alguns pequenos resfriadores com serpentina são utilizados para resfriar selos de bombas. Deve-se acompanhar o desempenho destes pois o furo destes pode acarretar a entrada de agua na selagem da bomba, danificando o selo ou fazendo com que a bomba cavite devido a formação de espuma entre o hidrocarboneto e a agua (emulsão) Condições dos equipamentos: O operador deve observar as condições do equipamento quanto a corrosão e vazamentos. Resfriadores com agua salobra tendem a ter corrosão nos plugs das tubulações de conexão, assim como qualquer vazamento em juntas ou tubulações deve ser informado a supervisão, pois podem dar origem a um acidente grave. eteX 22
  23. 23. EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DO CALOR CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR Fluido Frio de Entrada1 2 Fluido Frio de Saída Fluido Quente de Entrada3 4 Fluido Quente de Saída 1 2 3 4 5 Fluxo de Calor 5 eteX
  24. 24. EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DO CALOR CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR 𝒒 𝒒𝒖𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒎 𝒒. 𝑪𝒑 𝒒. (𝑻 𝒒,𝒆 − 𝑻 𝒒,𝒔) Onde: : Fluxo de Calor (W ou J/s)𝒒 : Vazão Mássica do Fluido (kg/s) : Temperatura do Fluido (K) 𝒎 𝑻 : Capacidade Calorífica (J/kg.K)𝑪𝒑 𝒒 𝒇𝒓𝒊𝒐 = 𝒎 𝒇. 𝑪𝒑 𝒇. (𝑻 𝒇,𝒔 − 𝑻 𝒇,𝒆) 𝒒 𝒒𝒖𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒒 𝒇𝒓𝒊𝒐 Sub indíces: : Fluido Quente𝒒 : Fluido Frio : Fluido de Saída 𝒇 𝒔 : Fluido de Entrada𝒆 CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR eteX
  25. 25. EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DO CALOR CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR 𝒒 𝒒𝒖𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒎 𝒒. 𝑪𝒑 𝒒. (𝑻 𝒒,𝒆 − 𝑻 𝒒,𝒔) Onde: : Fluxo de Calor (W ou J/s)𝒒 : Vazão Mássica do Fluido (kg/s) : Temperatura do Fluido (K) 𝒎 𝑻 : Capacidade Calorífica (J/kg.K)𝑪𝒑 𝒒 𝒇𝒓𝒊𝒐 = 𝒎 𝒇. 𝑪𝒑 𝒇. (𝑻 𝒇,𝒔 − 𝑻 𝒇,𝒆) 𝒒 𝒒𝒖𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒒 𝒇𝒓𝒊𝒐 Sub indíces: : Fluido Quente𝒒 : Fluido Frio : Fluido de Saída 𝒇 𝒔 : Fluido de Entrada𝒆 CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR eteX
  26. 26. MÉDIA LOGARÍTIMA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR Escoamento Paralelo ou Concorrente ∆𝑻 𝟏 ∆𝑻 𝟐 ∆𝑻 𝒎 = ∆𝑇1 − ∆𝑇2 ln ∆𝑇1 ∆𝑇2 ∆𝑻 𝟏 = 𝑇𝑞,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑒 ∆𝑻 𝟐 = 𝑇𝑞,𝑠 − 𝑇𝑓,𝑠 𝑇𝑞,𝑠𝑇𝑞,𝑒 𝑇𝑓,𝑠𝑇𝑓,𝑒 𝑇𝑞,𝑒 𝑇𝑞,𝑠 𝑇𝑓,𝑒 𝑇𝑓,𝑠 𝑻 𝒙 CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR eteX
  27. 27. MÉDIA LOGARÍTIMA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR Escoamento Cruzado ou Contracorrente ∆𝑻 𝟏 ∆𝑻 𝟐 ∆𝑻 𝒎 = ∆𝑇1 − ∆𝑇2 ln ∆𝑇1 ∆𝑇2 ∆𝑻 𝟏 = 𝑇𝑞,𝑒 − 𝑇𝑓,𝑠 ∆𝑻 𝟐 = 𝑇𝑞,𝑠 − 𝑇𝑓,𝑒 𝑇𝑞,𝑠𝑇𝑞,𝑒 𝑇𝑓,𝑠𝑇𝑓,𝑒 𝑇𝑞,𝑒 𝑇𝑞,𝑠 𝑇𝑓,𝑠 𝑇𝑓,𝑒 𝑻 𝒙 CÁLCULO PARA TROCADORES DE CALOR eteX

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