Projeto mecanico trocador de calor

Projeto mecanico trocador de calor

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1. Introdução

Logo após a revolução industrial, as indústrias se desenvolveram muito, e a utilização de vasos de pressão foi cada vez maior. Infelizmente, como somente visavam a produção, não se preocupavam de antes de montar a fábrica, estabelecer critérios de segurança para a própria fábrica. Esses critérios que não foram lembrados na época, inclusive os cuidados na utilização de vasos de pressão, causaram muitos acidentes o que os forçaram a criar uma maneira de se estudar o comportamento desses vasos de pressão e assim trazer mais segurança para a própria fábrica. As principais falhas eram:

Deformação elástica excessiva;

Deformação plástica excessiva;

Altas tensões localizadas;

Fluência a alta temperatura;

Fratura frágil a baixa temperatura;

Fadiga;

Corrosão. A primeiro código de segurança para fabricação, montagem e manutenção de vasos de pressão foi feito nos EUA em 1925 pela ASME (American Society of Mechanical Engineers), intitulado “Rules of Construction of Pressure Vessels”.

A associação americana de fabricantes de trocadores de calor

(Tubular Exchangers Manufactures Association – TEMA) publicou uma norma que inclui exigências e recomendações para o projeto, seleção de materiais, testes, instalação e operação de trocadores de calor. No que diz respeito ao projeto, a norma abange tanto o projeto mecânico, que será abordado nesse trabalho, como térmico.

2. Objetivos

O objetivo deste trabalho é apresentar as diversas formas de trocadores de calor e quais aspectos devem ser abordados para seleção de um.

3. Revisão Bibliográfica

3.1. Trocadores de Calor

Trocadores de calor são equipamentos de vários tipos e configurações onde ocorre transferência de energia sob a forma de calor entre duas ou mais massas de fluído que podem ou não estar em contato direto.

O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão em diferentes temperaturas e separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações da engenharia. Os equipamentos usados para implementar esta troca são denominados trocadores de calor, e aplicações específicas podem ser encontradas em aquecimento e condicionamento de ambiente, recuperação de calor, processos químicos, etc. Como aplicações mais comuns deste tipo de equipamento temos : Aquecedores, resfriadores, condensadores, evaporadores, torres de refrigeração, caldeiras, etc.

3.1.1. Classificação de trocadores de calor

Basicamente os trocadores de calor podem ser classificados de duas formas, segundo o processo de transferência de calor, e de acordo o tipo de construção.

3.1.1.1. Classificação de acordo com os processos de transferência de calor:

Nessa categoria, os trocadores de calor são classificados em:

Contato indireto: Nesse tipo de trocador os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de calor. Os trocadores de contato indireto podem ser classificados em:

o Transferência direta: há um fluxo continuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em passagens separados. Esse trocador pode ser designado como trocador de calor de recuperação. Alguns exemplos de trocadores de transferência direta são: placa, tubular e superfície estendida. o Trocadores de armazenamento: Em um trocador de armazenamento, os ambos fluidos percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor. A superfície de transferência de calor geralmente é de uma estrutura chamada matriz. Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor e a energia térmica é armazenada na matriz. Posteriormente, quando o fluido frio passa pelas mesmas passagens, a matriz “libera” a energia térmica (em refrigeração o caso é inverso). Este trocador também é chamado regenerador.

Contato direto: trocador, os fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor, aplicações que envolvem só transferência de calor são raras. Comparado os recuperadores de contato indireto e regeneradores, são alcançadas taxas de transferência de calor muito altas. Sua construção é relativamente barata. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato direto de dois fluxos é permissível.

3.1.1.2. Classificação de acordo com o tipo de construção

Os trocadores mais usualmente podem ser classificados em trocadores tubulares, de placas, de superfície estendida e regenerativa.

3.1.1.2.1. Trocadores Tubulares São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Este trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.

Este trocador é construído com tubos e uma carcaça. Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre a carcaça e os tubos. Existe uma variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da queda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc.

Trocadores de carcaça e tubo são os mais usados para quaisquer capacidade e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais.

O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, em uma direção de contra fluxo. Este é talvez o mais simples de todos os tipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de pequenas capacidades.

Tipo de trocador consiste em uma ou mais serpentina (de tubos circulares) ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disso, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática.

Este tipo de trocador normalmente é construído com placas lisas ou com alguma forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular equivalente.

Figura 1 – Trocador de calor casco tubo.

Figura 2 – Trocador de calor tubo duplo

Figura 3 – Trocador de calor tipo placa

Para o projeto de um trocador de calor existem oito passos básicos a serem realizados como podem ser visto a seguir:

3.2. Projeto de um trocador de calor

Passo 1: Analisar o pedido.

Quando um é decidido fazer um trocador de calor, inicialmente é necessário conhecer qual a aplicação da indústria, se por exemplo é de alimentos. ? O engenheiro de projeto deve definir corretamente o tipo de trocador de calor que é necessário e está em conformidade com os requisitos da aplicação.

Passo 2: Identificar as propriedades dos fluidos.

O próximo passo é analisar os fluidos envolvidos: o lado do produto líquido e fluido do lado do serviço. A fim de fazer um correto dimensionamento de um trocador de calor, quatro importantes propriedades físicas dos fluidos envolvidos precisam ser conhecidas:

Densidade;

Calor específico;

A condutividade térmica;

Viscosidade. A maneira correta de proceder é a obtenção de valores para esses quatro parâmetros para diferentes temperaturas na curva de aquecimento ou arrefecimento do projeto. Quanto melhor compreender as propriedades físicas dos fluidos envolvidos, mais preciso será o projeto do trocador de calor. Qualquer erro nas propriedades físicas envolvidas pode levar diretamente a uma concepção errada do trocador de calor.

Passo 3: O balanço energético.

Uma vez definido corretamente as propriedades físicas, é hora de verificar o balanço energético. Normalmente, o cliente define a taxa de fluxo de produtos e a entrada desejada e temperatura de saída do produto. Ele terá que indicar o tipo de fluido de manutenção a ser utilizado e definir dois dos seguintes três parâmetros: taxa de serviço de fluxo, temperatura de entrada do serviço ou a temperatura de saída do serviço. Com dois deles conhecidos, resolvendo o balanço energético, o terceiro parâmetro é calculado. Concluindo a etapa 3 estabelece as taxas de fluxo e temperaturas de entrada e saída do produto e fluidos lado do serviço.

Passo 4: Definir a geometria dos trocadores de calor.

Nesta etapa o engenheiro de projeto define a geometria do trocador de calor. Ele irá escolher o diâmetro da concha e definirá o pacote de tubo que é colocado no interior do permutador de calor: números de câmaras de ar, diâmetro do tubo interno e espessura da parede e o comprimento dos tubos internos. Em segundo lugar, as dimensões do reservatório e conexões de tubos lado do fluido são definidas. Nesta fase, também a escolha dos materiais aplicados tem que ser feito.

Passo 5: Cálculo Térmico.

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