Trocador de calor casco e tubos Feixe de tubos

Transcrição

1 Trocador de calor casco e tubos Feixe de tubos

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3 conexões espelho bocais casco Tubos saída Casco entrada Chicanas Cabeçote estacionário - frontal Cabeçote posterior ou de retorno tubos casco Casco saída Tubos entrada chicanas Feixe de tubos cabeçote gaxetas

4 Casco Elemento metálico de formato cilíndrico que envolve o feixe tubular. Dependendo das dimensões, pode ser fabricado a partir do corte de um tubo existente (D < 0.6 m), ou da calandragem de uma chapa metálica seguida de soldagem. Bocais (injetores e ejetores) No lado do casco, são geralmente fabricados a partir de seções de tubo soldadas ao casco, podendo estar acompanhados de placas de proteção de tubos. No lado dos tubos, onde o fluido geralmente é o mais corrosivo, os injetores e ejetores podem ser protegidos por ligas especiais.

5 Tubos placas tubulares ou espelhos Espelhos

6 Tubos Arranjo dos tubos

7 Passo Arranjo dos tubos Tringular Maior densidade de tubos Maior área de troca por unidade de volume Maior q Maior p Maior dificuldade de limpeza Passo triangular girado (60º) Passo Passo triangular (30º) Passo Passo quadrado (90º) Passo quadrado girado (45º) Quadrado 85% do número de tubos comparado com o triangular Menor TC Facilidade de limpeza Menor p

8 Chicanas ou defletores O arranjo de chicanas no lado casco do trocador serve a dois propósitos: Dar suporte aos tubos contra flexão e vibração Guiar o fluido do lado do casco através do feixe de tubos de uma forma o mais próximo possível de um escoamento cruzado ideal O tipo mais comum de chicanas são as segmentadas Chicana segmentada simples Chicana segmentada dupla Chicana segmentada sem tubos na janela Chicana segmentada tripla Chicana disco-anel

9 Chicanas outros tipos Chicana anel - haste Chicana helicoidal tubo

10 Chicanas característica Chicana segmentada Chicana haste Tubo Boa TC por unidade de p não sim sim sim Alto h_casco sim não não sim Adequado para alta efetividade do trocador não sim sim não Tende a ter baixa incrustação não sim sim sim Pode ser limpo mecanicamente Baixo escoamento induzido pela vibração tubo sim, com passo quadrado com projeto especial Chicana helicoidal sim sim sim, com passo quadrado sim sim com dupla hélice Pode ter tubos com baixa aleta sim sim sim sim Quebra jato Bocal entrada Quebra jato tubos Bom projeto Muito próxima Muito afastada

11 Chicanas e feixe de tubos

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13 Norma (60in)

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15 Normas TEMA Cabeçote estacionário Casco Cabeçote posterior

16 Exemplos AES BEM BFU

17 Exemplos de layout Quebra jato Borda do defletor Casco Tirantes DIcasco= 685mm, passo triangular, 2 passes nos tubos, feixe em U

18 Quebra jato Casco Tirantes Borda do defletor Tiras de selagem DIcasco= 685mm, passo quadrado girado, 4 passes nos tubos, cabeçote flutuante S

19 Para aumentar a transferência de calor aumentar o coeficiente de transferência de calor, h aumentar a área de troca Lado dos tubos - Aumentar nº de tubos -Diminuir externo dos tubos (de) Lado do casco - Diminuir o espaçamento (Ld) ou corte do defletor - Aumentar o comprimento do tubo, L Aumentar F ou efetividade - Aumentar o diâmetro do casco (Di) c/ apropriado nº de tubos - Empregar múltiplos casco em série ou paralelo - Usar configurações contracorrente e múltiplos configurações de casco Para reduzir a perda de carga Lado dos tubos Lado do casco - Diminuir o nº de passes nos tubos -Aumentar diâmetro do tubo -Diminuir o L e aumentar Di e nºtubos - Aumentar o corte do defletor -Aumentar o espaçamento do defletor, Ld - Aumentar o passo dos tubos - Usar defletores segmentados duplos ou triplos

20 Incrustações, limpeza, manutenção

21 Vantagens São robustos e de construção relativamente simples São de limpeza e manutenção relativamente simples, se forem projetados corretamente Métodos de projeto existentes já foram testados Flexibilidade na construção permite que praticamente qualquer processo possa ser executado no trocador C&T (pressões e temperaturas extremamente baixas ou altas, altas diferenças de temperatura, mudança de fase, incrustações severas, fluidos corrosivos, etc.)

22 Projeto de trocadores casco e tubos

23 Problema UA (mcp)1 (mcp)2 T1,e T1,s T2,e T2,s o 4 5 o 6 o Variável desconhecida Variável conhecida q 2 ( mcp ) 1(T1,e T1,s ) ( mcp ) (T 2,s T 2,e ) A e U e q T ml,cc F A e πdelntt

24 onde Ue (baseado na área externa dos tubos) é dado por: U e 1 hi Ae Ai Rfi Ae Ai 1 AeRp Rfe 1 he Como os valores dos coeficientes de transferência de calor, h, não são conhecidos ainda, são necessárias estimativas iniciais desses valores (baseadas em valores típicos)

25 Valores típicos do coeficiente de transferência de calor convectivo e fatores de incrustação para trocadores de calor casco e tubos Problema Condições do fluido h (W/m²K) Rf (m²k/w) água líquido ,5 x 10-4 amônia líquido x 10-4 Líquidos orgânicos líquido x 10-4 Médios orgânicos líquido x 10-4 Orgânicos pesados Líquido aquecendo resfriando x x 10-4 Orgânicos muito pesados Líquido aquecendo resfriando x x 10-3 Gás Pressão kpa Pressão 1 Mpa Pressão 10 Mpa x x x 10-4

26 Alocação das correntes de fluido no casco e tubos Considerar os seguintes aspectos: A corrente com maior propensão à incrustação deve ir pelos tubos (mais fácil a limpeza) A corrente de maior pressão estática deve ir pelos tubos (mais fácil a vedação) O fluido mais corrosivo deve ir pelos tubos (se não casco e tubos será corroídos) A corrente de menor vazão deve ir pelo casco (escoamento se torna turbulento em menores Re no casco) O fluido mais viscoso deve ir pelo casco ( escoamento através das chicanas compensa o efeito da viscosidade com uma maior turbulência)

27 MÉTODO KERN PARA CÁLCULO DO LADO DO CASCO Lbch B c L Di bch x100 Di

28 Número Reynolds Lado Casco Re casco GD h Fluxo mássico G casco A m casco Área de escoamento do fluido do casco A casco D i P C L d C P de Diâmetro hidráulico - Dh Arranjo quadrado Arranjo triangular D h 4 P 2 de de 2 / 4 D h 4 P de / 2 de 8 2

29 Correlação para Nu do lado do casco Nu casco 0,36 Re 0,55 Pr 1 / 3 p 0,14 Válida para 2000 < Re < 1 x 10 6 Coeficiente de transferência de calor convectivo fluido-casco Nu casco h e D k h

30 Número total de tubos no casco Exemplo tabela: Ou de forma aproximada: N Di tt c 0,875 0,637 CTP CL CL CTP 2 c 2 Di ( PR ) Ae( PR ) L de 2 de 2 CTP=0,93 1 passe nos tubos CTP=0,9 2 passes nos tubos CTP=0,85 3 passes nos tubos CL=1 arranjos 90 e 45º CL=0,87 arranjos 30 e 60º PR=Pt/de

31 p casco fg 2 2D h Nd 1 p D i 0,14 f exp(0,576 0,19 ln Re) O fator de atrito, f, leva em conta as perdas de entrada e saída do casco Válida para 400 < Re < 1 x 10 6 Número de defletores N d =L/Ld - 1

32 Trocadores com mais passes no casco - Trocadores 1:2 são limitados, não permitindo uma efetiva recuperação de calor; - Quando ocorre interseção de temperatura num trocador 1:2, o F cai agudamente e a pequena diferença de T na saída do casco abaixo da T de saída do tubo (ts-ts) elimina a possibilidade de elevada recuperação de calor, p.e.: quente: Te=93 ºC e Ts=60 ºC frio: te=27ºc e ts=71ºc R=0,75 e P=0,67 F1:2=0,68 - Neste casco um trocador 2:4 permite melhorar o F, devido às interseções de temperaturas permitidas (F=0,94) e, portanto, se recupera mais calor Em um mesmo casco somente até 2 passagens no casco (trocador 2:4 casco tipo F) com uso de defletor longitudinal Acasco/2; para p: (Nd + 1) x 2 Usual usar trocadores 1:2 em série. A=nº cascos (delntt) pcasco: (Nd+1) x nºcascos ptubos: (Npt x nºcascos)

33 T ml T ml, cc F Fator F 1:2n 2:4n (2 TC 1:2)

34 Em um processo industrial deve-se resfriar óleo térmico de 120 C a 70 C usando uma corrente de água de um rio nas proximidades a temperatura de 18 C. As vazões mássicas iniciais de óleo e água são 4500 L/min e 2500 L/min, respectivamente. São indicados tubos de ¾ in 18 BWG dispostos no casco em arranjo quadrado (90 ) com passo de 1 in. Inicialmente testar um trocador casco e tubos tipo AES, 23:192. O material dos tubos é cobre. As perdas de carga admissível no lado do casco é de 0,6 bar e nos tubos 0,5 bar. Os fatores de incrustação para as correntes devem ser estimados conforme os fluidos. Fazer o cálculo térmico, da perda de pressão das correntes e da efetividade do trocador. A partir destes resultados avaliar se o trocador de calor pode ser utilizado para este serviço. O tamanho do trocador é adequado ou poderia ser utilizado um menor?

35 Projeto térmico e hidráulico de um trocador de calor casco e tubos. Em um processo industrial deve-se resfriar um produto de 120 C a 80 C e vazão de 4000 L/min. Como a empresa tem um rio nas proximidades esta água é usada para o resfriamento. Considere que a água está a uma temperatura de 20ºC e vazão de 2000 L/min. Inicialmente testar tubos de diâmetro de ¾ in 13 BWG dispostos no casco em arranjo quadrado (90 ) com passo de 1 in. Inicialmente testar um trocador casco e tubos tipo AES, 15:192. O material dos tubos é cobre. As perdas de carga admissível no lado do casco é de 0,6 bar e nos tubos 0,45 bar. O fator de incrustação para o produto pode ser considerado de 0, m²k/w e para a água deve ser pesquisado no banco de dados do EES. Propriedades do produto: k=0,138 W/mK, cp=1,622 kj/kgk, =1044 kg/m³, =0,0027 Ns/m² Fazer o estudo proposto a seguir através do programa EES. - Utilizar todos os recursos do software para cálculo de propriedades, uso dos métodos de cálculo ( Tml e -NUT), cálculos de coeficientes de transferência de calor e perdas de pressão. - Selecionar o fluido que escoará no casco e nos tubos e justificar a escolha. - Selecionar o número de passes nos tubos - Selecionar espaçamento entre defletores

36 1.Fazer o cálculo térmico, da perda de pressão das correntes e da efetividade do trocador. A partir destes resultados avaliar se o trocador de calor pode ser utilizado para este serviço. O tamanho do trocador é adequado ou poderia ser utilizado um trocador casco e tubos menor? Apresentar coeficiente de limpeza e discutir. 2.Verifique a influência de trocar as correntes de fluido de local de escoamento, ou seja, a do casco passa a escoar nos tubos e a dos tubos no casco. Onde isto influi? Comente e justifique os resultados. 3.Qual a influência de aumentar o número de passes nos tubos? E o número de passes no casco? 4.Como varia a temperatura de saída do produto e a efetividade se a temperatura de entrada da água varia numa faixa de 18 a 30 ºC, mantendo a temperatura de entrada do produto e as vazões dos fluidos? Seria possível alcançar a temperatura de saída especificada do produto. Plotar os resultados em um gráfico e explicar. 5.Como varia a temperatura de saída do produto, da água e a efetividade, se a vazão de produto varia de a L/min, mantendo as temperaturas de entrada dos fluidos e a vazão de água? Plotar os resultados em um gráfico e explicar.