Trocadores de Calor

TROCADORES DE CALOR
eteX
Eduardo Teixeira Neto – Curso de Segurança em Operação de Processo – Refinaria RiograndenseeteX 1

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.
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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
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 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
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 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.
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 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)
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 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
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 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

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.
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Trocador Casco e tubos
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 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.
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 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.
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 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.
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TUBOS DE TROCADOR DE CALOR
 Lisos
Com e sem costura
 Aletados  Em formato de U
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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

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.
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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
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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.
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LIMPEZA DE TROCADORES DE
CALOR
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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.
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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.
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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
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EQUAÇÃO DA CONSERVAÇÃO DO 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
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MÉDIA LOGARÍTIMA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA
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
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MÉDIA LOGARÍTIMA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA
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
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