Baixe fisica industrial - apostila de trocadores de calor e outras Notas de estudo em PDF para Farmácia, somente na Docsity! CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA – CEFET/BA COORDENAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS DISCIPLINA: TRANSFERÊNCIA DE CALOR PROFESSOR: DIÓGENES GANGHIS TROCADORES DE CALOR Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 2 APRESENTAÇÃO Esta apostila apresenta um material didático sobre Trocadores de Calor com foco na formação de operadores de processos industriais. O material foi elaborado/compilado a partir de um conjunto de outras apostilas disponíveis na internet ou ainda, resumo de livros didáticos. Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 5 engenheiro especialista em instalações de trocadores de calor em unidades de energia e métodos de instalação, é solicitado frequentemente para selecionar a unidade de troca de calor adequada a uma aplicação particular. A seleção requer uma análise térmica, para determinar se uma unidade padrão (que é mais barata!) de tamanho e geometria especificados, pode preencher os requisitos de aquecimento ou resfriamento de um dado fluido, com uma razão especificada, neste tipo de análise deve ser levado em conta, no que diz respeito ao custo, a vida do equipamento, facilidade de limpeza e espaço necessário, além de estar em conformidade com os requisitos dos códigos de segurança da ASME. 1.2 Equipamento O equipamento de transferência de calor pode ser identificado pelo tipo ou pela função. Quase todo tipo de unidade pode ser usado para efetuar qualquer ou todas estas funções, abaixo, a Ilustração 1 mostra as principais definições dos equipamentos de troca térmica. A Tubular Exchange Manufactures Association (ASME) estabeleceu a prática recomendada para designação dos trocadores de calor multitubulares mediante números e letras. A designação do tipo deve ser feita por letras indicando a natureza do carretel, do casco e da extremidade oposta ao carretel, nesta ordem, conforme a Ilustração 2. Os principais tipos de trocadores de calor multitubulares são: – Permutadores com espelho flutuante. Tipo AES (a) – Permutadores com espelho fixo. Tipo BEM (b), o tipo mais usado que qualquer outro. – Permutadores com cabeçote flutuante e gaxeta externa. Tipo AEP (c) – Permutadores de calor com tubo em U. Tipo CFU (d) – Permutadores do tipo refervedor com espelho flutuante e removível pelo carretel. Tipo AKT (e) – Permutadores com cabeçotes e tampas removíveis. Tipo AJW (f) Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 6 Ilustração 1 – Tipos de Trocadores Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 7 Ilustração 2 - Classificação de trocadores tipo casco e tubo Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 10 – Vaporizador (vaporizer) – cede calor ao fluido de processo, vaporizando-o total ou parcialmente através de circulação natural ou forçada. O termo “refervedor” (reboiler) aplica-se ao vaporizador que opera conectado a uma torre de processo, vaporizando o fluido processado. O termo “gerador de vapor” (steam generator) aplicase ao vaporizador que gera vapor d’água, aproveitando calor excedente de um fluido de processo; – Evaporador (evaporator) – promove concentração de uma solução pela evaporação do líquido, de menor ponto de ebulição. 2.2 Classificação quanto à forma construtiva – Trocadores tipo casco e tubo (shell and tube) – Equipamentos constituídos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um casco, normalmente cilíndrico, circulando um dos fluidos externamente ao feixe e o outro pelo interior dos tubos. Os componentes principais dos trocadores tipo casco e tubo são representados pelo cabeçote de entrada, casco, feixe de tubos e cabeçote de retorno ou saída. – Trocadores especiais – Em face das inúmeras aplicações específicas dos trocadores de calor, são encontradas várias formas construtivas que não se enquadram nas caracterizações comuns (casco e tubo, tubo duplo, serpentina, trocador de placas, resfriadores de ar, rotativos regenerativos, economizadores, etc). Para estes tipos, é atribuída a classificação de “ESPECIAIS”, dada a sua peculiaridade de construção, em decorrência da aplicação. Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 11 Ilustração 4 - Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente). Ilustração 5 - Trocador de Calor de Casco e Tubos Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 12 Ilustração 6 - Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente) O tipo mais comum de trocador de calor é mostrado abaixo: Ilustração 7 – Diagrama de um trocador de calor de correntes opostas de simples tubo no interior de outro tubo Consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaça de tal arranjo. Um dos fluidos escoa dentro do tubo interno e outro através do Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 15 Ilustração 10 - Três tipos de defletores Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 16 Ilustração 11 - Detalhes de um trocador de calor Outros tipos de trocadores de calor para líquidos e gases são : Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 17 Tubos duplo – são sustados a muito temo, principalmente quando as velocidades de fluxo são baixas e as faixas de temperaturas são altas. Estes segmentos de tubos duplos são bem adaptados ao pequeno diâmetro, pois possibilitam o uso de pequenos flanges de seções com paredes delgadas, em comparação com o equipamento convencional multitubulado. Ilustração 12 –Trocador Casco e Tubo Trocadores com raspagem interna - este tipo de trocador tem um elemento rotativo munido de lâminas raspadoras montadas em molas, para raspagem da superfície interna. Os trocadores com raspagem interna são essencialmente convenientes para a transferência de calor com cristalização, ou transferência de calor em condições de pesada incrustações das superfícies; ou a transferência de calor em fluidos muitos viscosos. São usados, para cristalização, nas fábricas de parafina e nas fábricas petroquímicas. Ilustração 13 - Trocador de calor de raspagem interna CEFET-BA DADOS DIMENSIONAIS STANDARD — MODELO BEM Permutador de calor com 2 ou 4 passes nos tubos e espelhos fixos. A F [>> A 2 PASSES 4PASSES t ED) =| q? ul Ó am 9 L = q Ls | B ses [ig [| em Dines em times consções veio inca ia oeigs ceu | úsia | | nisi À alelelolelrlolHJilasla | copo | Tree) Tampo | am | Mac | tn | Mas. | Mn | Mto NEI E mizm[m[m[m[m[ups[s[a[=[=[ [leu [um [ua [imo [me Tm [08 mm [m [nm [ se [ufa[s[=[=[=[ = [5 | mem [ eso [ramo [rea [re [mo ma [5m[5 To [mo [5 [mf [om [me [ua [o [= [0 [ss [om [im [qua [iso [ axo | sao [ rss | res | usem imo [118 [7 too [rio [mo [maio [sm [i0[us[5 [= [2 [5 [1 [0 [su | emo | oo [sao | ro | 160 [ asso Timo [22 [7 tão [155 [ esa [uia | tes molas [s [= [e [5 [= [mo [5a [ooo [ soco [cado [iso [re [seo 5 [am [3 o [2 | 2% | no | tes msmo [75 [1 [us fui [rue [rua] oo [aum | asco [5soo [raso as [ omto som [nm o [mo [=e [nous [a [us[mo[75 [15 [ns [ms [ue [ria | o | aum | ssto | ssoo | raso amo [ esto sm [me[3 To [mo [am [um [us [o [ns [mo [7 [7 [us [us [orar [una [mo [ao | seo | 50 | rss | ae | suar som [15 [5 too [7 [75 [o [ue [am [us [ma [0 [one [us [uses [rua] ooo [asno | ooo [5som [raso uso [emo ssa [25 [5 tao [560 [58 [no | iss [mio [us [mo [7 [01 [ums [mis [usas [ria | ooo [oram | aco [5som [raso uso omto sima [5 [7 tão [125 [7x [não | es [so [iss [mo [75 [075 [ums [us [usas [ria | ooo [ou | rono [som [raso uso omto siso [287 tio [uam [1 | 40 | 185 [reto [iss [0 [75 [15 [mis [uis [ae [ia] oo | oram | ooo [ssa | raso 2e0 | esto sm [us [5 [ uam o [um [mo [es [no [om [mo [es [is [rs [iso (as [ora [ima oram [ros [ eso | ao [aan ae | ooo Gio [25 [5] torso [mo [mo [mo [us [xo [om [mo [25 [75 | 7 | mo [as [ria [sao | riam [ooo | oo | ao | mac | ae | mono Gisa [28 [5 | mora [raso [00 [um [mes [xo [um [mo [es [is | xs [meo fas [ora [rmar | orar [oo | rico | ao [ mano | ae | mono Gisa [aaa [7] uia | 150 [raio [ao [es | xio [um [io [25 [75 | 7s | iso [as [ria [sao | ria soe | iso | ao | mac | ae | asno simao [527 [| quioram | ui [ raso [uam [es [nto [iso | ato [eis [7s [xs [iso (ras [ora [rmam [oram [ros | eso | ao | raco | aes | ooo Game | 805 [ 7 | mirar [amo [ voto [ imo [165 [ 2i0 [om [mio [215 [75 | 75 | neo [tas [ uia | axar | eta | ooo | soro | ao | rs | as6 | soco ss [58 [5] usas | o [am [am [us [no [mo [imo [asa [o [meio pues [= [= [= [com | uso [raso [sai emo | rosa io [455 [5 | tasras [mo [747 [77 [ais [ato [om [imo [as [mio [mero us [= [2 [2 [som | raro raso [ani | emo | rosa Gisa [650 [5] tra [eso [ 57 [um [ais [ato [oro [iso [as [mio [meio [us [2 [2 [2 [som | rasto raso [sai | emo | rosa iso [170 [7] sra | iso [ raar [sr [ais [nto | rom | 16 [525 [mio [me asa es [= [o [2 (ooo | rss raso [ans uno | res esto [sm [7 | tornar [mo [sr [uam [oo [no [uma [mo [aa [no[mo [om [2 [2 [2 [usor| raso] raso mu oro | tosa aooo [vas] 7] sra | axo | miar | mar [ais | ato | amo | 150 [255 [mio [mo iso pues [o [2 [2 5] soro raso saio | oro | res Apostila de Trocadores de Calor 20 Profº Diógenes Ganghis Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 21 Ilustração 16 - Folha de Dados de um Trocador CEFET-BA casco CONEXÃO CHICANAS Tubo Aço carbono Luva aço forjado Aço carbono | galvanizado JUNTA Borracha nitrílica BASE FEIXE TUBULAR Ago catbono TAMPA ESPELHO FIXO Tubes de cobre, Aço carbono Aço carbono IDENTIFICAÇÃO Exemplo: BEM - 6-1500-2 Modelo espelho fixo Diâmetro nominal do casco 4= 450" Comprimento 5= 550º totaldo — — 1] N.º de passes 6= 650º permutador 20u4 8- 863º MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO STANDARD E CONDIÇÃO DE PROJETO Descrição Material Condição de projeto Casco Tubo de aço carbono Tubos Cobre Pressão máx. trab. casco— 21 kgf'cm? Chicanas Aço carbono galvanizado | pj ão máx. trab. tubos — 15 kgfm? Tampas Aço carbono Bases Aço carbono Temperatura máx. trabalho — 150º C Espelhos. Aço carbono Juntas Borracha nitrílica Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 22 Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 25 diferença de temperatura em qualquer parte ao longo do comprimento do tubo. Para dedução da diferença de temperatura entre dois fluxos, as seguintes hipóteses devem ser feitas: – o coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o comprimento da trajetória, – o calor específico é constante em todos os pontos da trajetória, – não existem mudanças de fase parciais no sistema e – as perdas de calor são desprezíveis; então                       1 2 12 12 21 1221 lnln t t tt tT tT tTtT MLTDTml Assim temos que a taxa de calor transferidas. mlTAUQ  4 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE ISOLANTES TÉRMICOS Isolantes térmicos são materiais utilizados em revestimentos, para reduzir a transmissão de calor entre sistemas. Aparentemente, qualquer material poderia ser usado, uma vez que representa uma resistência térmica a mais, através do revestimento. Tal fato não acontece. Para cada caso poderemos ter restrições específicas com relação ao valor do coeficiente de condução, conforme podemos constatar nos exemplos que seguem. 4.1 Conceituação, Finalidade e Materiais Isolantes A conceituação de isolação térmica, de acordo com as definições aceitas, está fundamentalmente apoiada na aplicabilidade e economicidade dos materiais envolvidos. O isolamento térmico é composto por 3 elementos distintos: – O isolante térmico. – O sistema de fixação e sustentação mecânica. – A proteção exterior. Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 26 Estabelecemos a seguir as definições e terminologias essenciais, que são as seguintes: – Isolação térmica - Situação em que se encontra um sistema físico que foi submetido ao processo de isolamento térmico. – Isolamento térmico - Processo através do qual se obtém a isolação térmica de um sistema físico pela aplicação adequada de material isolante térmico. – Material isolante - Material capaz de diminuir de modo satisfatório e conveniente a transmissão do calor entre dois sistemas físicos. – Material de fixação - Material (ou materiais) usado para manter o isolante e o revestimento em suas posições convenientes. – Material de revestimento - Material (ou materiais) usado para proteger e dar bom aspecto ao isolante. Faz-se necessário pois, que estes componentes sejam aplicáveis entre si e com o sistema a isolar, para que sejam eficientes e econômicos. A finalidade precípua da isolação térmica é dificultar, reduzir e minimizar a transferência de calor entre dois sistemas físicos que se encontram em níveis diferentes de temperatura. Porém, para efeito de classificação normativa, de projeto e comercial, considerar-se- á isolação térmica aplicável objetivando principalmente as seguintes finalidades: – Economia de energia. – Estabilidade operacional. – Conforto térmico. – Proteção do pessoal. – Evitar condensação. – Proteção de estruturas.. Pode-se, num só processo de isolamento térmico, atingir mais de um desses objetivos, tendo se porém em consideração que a análise da fonte do calor e da sua forma de transmissão é que determina a escolha dos materiais e a técnica de sua aplicação. A técnica da isolação térmica consiste na utilização de materiais ou de sistemas que imponham resistência às maneiras do calor se propagar reduzindo essa velocidade de transmissão e portanto a quantidade transmitida por unidade de tempo. Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 27 A escolha do material isolante ou do meio isolante, admitindo os demais componentes como de importância secundária, deverá ser coerente com a transmissão de calor. São muitos os materiais isolantes que podem ser utilizados com êxito no isolamento térmico, não sendo considerada básica esta circunstância para a seleção do mesmo. Devem ser conhecidas todas as propriedades mecânicas e térmicas do material, para projetar de forma adequada o sistema de montagem, a espessura de isolamento necessária, a película hidrófuga com a qual deve ser protegido, etc. Entre outros podem ser citados como elementos de boa qualidade e comercialmente usados no mundo todo: – Fibra cerâmica. – Carbonato de magnésio. – Cimentos isolantes. – Concreto celular. – Cortiça expandida. – Ebonite expandida. – Espuma de borracha. – Espuma de vidro (`foam- glass'). – Espumas de poliuretano. – Espuma de uréia- formaldeído. – Fibras de madeira prensada. – Lã de escória. – Lã de rocha. – Lã de vidro. – Lãs isolantes refratárias. – Massas isolantes. – Multifolhados metálicos. – Papelão ondulado. – Perlita expandida. – PVC expandido. – Sílica diatomácea. – Sílica expandida. – Silicato de cálcio. – Vermiculita expandida Na realidade, o produto isolante ideal não existe. Analisando as características básicas de cada um, e promovendo um estudo comparativo entre todos eles, é justo reconhecer que a decisão sempre estará motivada pelo gosto particular do usuário. As principais perguntas normalmente formuladas pelos próprios projetistas e engenheiros ligados à indústria são: qual o isolante a ser utilizado; que espessura deve ser usada e quais as precauções necessárias quando da montagem do material selecionado. Esta resposta não pode ser dada de forma genérica, sendo indispensável o estudo, em particular, de cada tipo de instalação a ser executada. Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 30 4.6 Propriedades relativas à umidade A presença de água ou gelo no isolamento térmico pode diminuir ou destruir o valor isolante, pode causar deterioração da isolação, como danos estruturais por putrefação ou decomposição, corrosão, ou pela ação expansiva da água congelada. A umidade acumulada no interior de um isolamento térmico depende das temperaturas de operação e condições ambientais, e da efetividade das barreiras de vapor de água em relação a outras resistências de vapor no interior da estrutura composta. Alguns isolantes são higroscópicos e absorverão ou perderão umidade proporcionalmente à umidade relativa do ar em contato com o isolante. Isolantes fibrosos ou granulados permitem a transmissão de vapor de água para o lado frio da estrutura. Uma barreira de vapor efetiva, portanto, deverá ser usada quando da utilização deste tipo de materiais, onde a transmissão de umidade é um fator a ser considerado. Determinados isolantes térmicos possuem uma estrutura celular fechada, sendo relativamente impermeáveis à água e vapor de água. As várias propriedades que expressam a influência da umidade incluem: absorção (capilaridade); adsorção (higroscopicidade) e taxa de transmissão de vapor de água. 4.7 Saúde e segurança As várias propriedades dos isolantes térmicos relativas à saúde e segurança incluem: incapacidade para suportar vermes e insetos; imunidade aos perigos de incêndio; imune às pessoas quanto a partículas que possam causar irritações da pele; imune quanto a vapores ou pó que possam afetar as pessoas; imunidade quanto à putrefação, odores e envelhecimento. 5 VARIÁVEIS DE CONSTRUÇÃO E OPERACIONAIS 5.1 Construção O trocador de calor tipo DUPLO-TUBOS é basicamente composto de: – Sem sistema de absorção da dilatação térmica entre os tubos. - as duas extremidades do lado do casco serão soldadas ao tubo. – Com sistema de absorção da dilatação térmica. As duas extremidades do lado do casco serão soldadas ao tubo, porém terá uma junta de dilatação do lado do casco. Uma das extremidades do lado do casco, será soldada ao tubo, a outra estará livre, com sistema de preme-gaxetas. Este tipo de construção não permite limpeza mecânica do lado do casco, devido a Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 31 impossibilidade de desmontagem do tubo. Uma das extremidades do lado do casco será presa ao tubo por meio de flanges, a outra estará livre, com sistema de preme-gaxetas. Este tipo de construção é feito quando é permitido o uso dos flanges das conexões do lado do tubo rosqueados e haja necessidade de desmontagem total para limpeza. 5.2 Observações gerais sobre a construção No momento em que o trocador de calor é exposto as condições operacionais em função da diferença de temperatura existente entre o tubo e o casco, fica este sujeito a tensões oriundas da dilatação térmica correspondente. Caso essas tensões não ultrapassem determinados valores admissíveis, é possível construir-se um trocador de calor em que, construtivamente toda dilatação térmica não é compensada através de elemento construtivo adequado. Caso no entanto esses valores ultrapassem os valores de tensões admissíveis, haverá a necessidade de que a dilatação térmica seja compensada conforme os tipos de construção. Em função das observações aqui feitas, é muito importante que, quando em operação, sejam considerados os limites de diferença de temperatura máximos admissíveis. Para efeito de cálculo da necessidade ou não de um sistema de absorção térmica, e considerado a seguinte condição: fluído quente, entrando ou saindo com a mesma térmica em um trocador de calor instalado a uma temperatura de 20 graus ambiente. Se as tensões térmicas deste cálculo não forem superiores as tensões máximas admissíveis, não será instalado qualquer dispositivo para compensações da dilatação térmica. 5.3 Instalação Para a instalação correta do trocador de calor devem estar prontos alguns preparativos, como por exemplo as fundações ou os pontos de fixação previstos para a instalação do mesmo. O equipamento deve ser instalado firme e isento de vibrações, sendo que, nos casos onde a operação prevê por exemplo o resfriamento de gases comprimidos, não é recomendável a utilização de calços, bem como cunhas soltas de nivelamento. Caso o trocador de calor seja fornecido pressurizado com gás inerte, antes do início de qualquer trabalho de instalação deve ser realizado um procedimento de despressurização através dos respiros e drenos correspondentes. O controle dessa pressurização deve ser realizado através da leitura correspondente. Após isto, o manômetro e as tampas de vedação dos bocais podem ser retirados. Caso os fluídos que circulam pelo trocador sejam mantidos em circulação por bombas, o trocador de calor deve ser instalado o mais próximo possível da conexão de pressão da bomba, de modo a evitar qualquer problema de cavitação. Apostila de Trocadores de Calor Profº Diógenes Ganghis 32 No caso de trocador de calor onde haja possibilidade de remoção do tubo, a instalação deste deve prever o espaço necessário para remoção do mesmo, ou seja o comprimento do feixe mais um metro no mínimo. Após a fixação do trocador de calor, os parafusos de todos os flanges devem ser reapertados obedecendo sempre uma seqüência cruzada de aperto. No caso de trocador de calor com premegaxetas, os parafusos deste devem sofrer aperto adequado. Somente após o reaperto de todos os parafusos do trocador de calor devem ser conectadas as tubulações. Para o aperto das tubulações deve ser observado, que forças transversais ao eixo de conexão são extremamente prejudiciais e em muitos casos impossibilitam uma vedação correta da conexão. Eventuais conexões colocadas do lado do casco na parte sujeita a dilatação térmica, devem ter caráter elástico prevendo o deslocamento do casco. É recomendável que durante a instalação seja observado um acesso adequado aos drenos e respiros. Durante os trabalhos de montagem deverão ser tomados os cuidados necessários para que não haja penetração de corpos no interior do transmissor. 5.4 Entrada em operação Antes da entrada em operação nos casos em que o fluído circulante e líquido, deverão ser parcialmente abertos os respiros adequados de forma a permitir a evacuação dos gases. Caso o trocador de calor seja fornecido com alguma substância protetora, a mesma deverá ser removida através de lavagem com solvente adequado. A drenagem durante o processo de limpeza pode ser realizada em posição adequada na tubulação ou mesmo nos drenos instalados no casco do trocador. Recomendamos que o trocador de calor, em todas as suas conexões, seja provido de válvulas, de modo a possibilitar quaisquer trabalhos ou mesmo até a desmontagem do trocador sem a necessidade de que a linha toda seja, para tanto, drenada. Para entrada em operação, o trocador de calor deve ser inicialmente inundado, conforme já descrito, com o fluído refrigerante. Após a total drenagem das bolhas de gás, os respiros correspondentes devem ser fechados. Após isso, deve ser iniciado o mesmo procedimento para o fluído a ser resfriado. No caso em que a temperatura de entrada do fluído a ser resfriado seja superior a temperatura do fluído refrigerante nas condições de trabalho, devem ser tomadas todas as precauções necessárias para que nunca o fluído quente flua pelo trocador sem que o fluído de resfriamento esteja em circulação.