Trocadores de Calor: Tipos, Aplicações e Cálculos

- q = UaΔT

- Alocação de fluidos: lado do casco ou do tubo?

- Fluidos corrosivos (menos metal, menos gastos), P/T extremos (como precisam de maior espessura, portanto, colocar no tubo gasta menos e mais fácil os tubos resistirem a altas pressões), altas velocidades (mais fácil manter alta velocidade nos tubos). Mais fácil abrir o cabeçote do trocador e jatear os tubos à Tubos

- Fluidos viscosos à Casco

- Trocador de placas: mais compacto e flexível, ideal para liq-liq e processos que exigem higiene. Permite mais de dois fluidos no mesmo equipamento. Pequeno volume e espaçamento entre placas, baixo custo, fácil limpeza e montagem

- Em série: alta velocidade e contracorrente

- Paralelo: Menor dP, fluidos a uma T similar. Desvantagens: grande ΔT variando nos extremos (estresse térmico), e T_f,s nunca excede T_q,f.

- ΔT_ml pode ser aplicado se o escoamento for completamente concorrente ou contracorrente. Em escoamentos cruzados, misto ou reverso, não pode

- Múltiplos passes nos tubos: ΔT = F_t .dT_ml; F_t = f(R,P) à graficamente

- Múltiplos passes nos cascos: Problemas de operação e manutenção (vazamento)

- Múltiplos cascos em série: permitem aumentar o F_t (limitados pela queda de pressão) N_cascos -> infinito, F_t = 1

- Comparação

- casco – tubo: opera a altas T e P; fácil operar; caro; espaçoso; evita fouling melhor; menor dP; fácil localizar vazamentos; limpeza relativamente fácil (mais difícil que placas)

- Placas: Baixas T e P; Fácil instalação, barato, transferência de calor (h maiores); menor tamanho; fácil limpeza; não pode conter fluidos corrosivos;

- Aumentar número de passes é recomendável?

- Tem que verificar resistência controlante.

- Se h_tubo casco à vale a pena aumentar (se interna for r.c.)

- Se h_casco tubo à não vale a pena

- ...

- Trocadores Bitubulares: determinar comprimento (L)

- Dittus – Baelter:

- D_m = ...

- Há placas defletoras na entrada dos tubos: reduzem erosão e vibração

- A_esc = ...

- Bocais aumentam ΔP; v = ...

- Trocadores casco e tubo:

- Chicanas: maior turbulência (maior h); Maior ΔP; evitam vibração e servem de apoio para os tubos;

- Arranjo de Tubos: Quadrado: Menor ΔP; menor h; mais fácil limpeza. N_t = ...

Triângulo: Maior ΔP; maior h, maior número de tubos; N_t = quadrado / 0,78.

- Tabelas

- Número de tubos: D_c = 1m; d_e = 20mm; P_t =1,23 d_e

- OBS: maior número de passagens não melhora o desempenho do trocador; Inverter as entradas também não; Para melhorar, pode-se colocar os trocadores em série;

- Em mudança de fase, todos os trocadores têm a mesma eficiência;

- As placas de partição usadas no aumento do número de passes acabam reduzindo o espaço disponível para eles

- Arranjo de passagens:

- Quadrante: maior número de tubos, bocal deslocado

- Misto: bocal centralizado

- Tiras: menos tubos; distribui melhor tensões devido à expansão térmica.

- Espaçamento de chicanas: menor espaçamento: maior ΔP, maior h; máximo é o diâmetro do casco; Equilíbrio ocorre entre 0,3 e 0,6 d_c; Corte das chicanas: 20% a 35%

- Arranjo dos trocadores:

- Série: maior ΔP; maior F_t (limitação no tamanho de um casco)

- Paralelo: menor ΔP, menor v, menor h;

- Quadra de pressão: ...

- OBS: Aumentar o número de passos aumenta a velocidade portanto: maior Re, Nu, h, U; porém: maior ΔP, menor eficiência e dT_m

- Solução: cascos em série: Maior ΔP e eficiência (N_t = infinito); porém, se ΔP se tornar proibitivo, cascos em paralelo (menor ΔP, menor dT_m, menor h, menor U)

- Perímetro molhado:

- Queda de pressão: P = circunferência externa de um tubo interno = Pi . D_i

- Transferência de calor: P = circunferência externa do tubo interno e circunferência interna do tubo externo = Pi . (D_e- D_i)

- Portanto, D_h (transferência de calor) = D² – D_i² / D_i; D_h (queda de pressão) = D₂ – D₁

- Sinnott argumenta que pode se usar D_h (ΔP) para ambos os casos, pois U depende fracamente desse parâmetro (U ...

- Trocadores bi/multitubulares:

- Balanço de energia: q = UA. ΔT_m; A = área externa do cilindro interno, exceto em caso de tubos aletados (d_e.Pi.L

- Diâmetro dos tubos:

- OBS: Para tubos em geral, o valor nominal é do diâmetro interno; Para trocadores o valor nominal é do diâmetro externo;

- Espessura de tubos:

- Finos: maior v, h, ΔP e menor A

- Grossos: menor v, h, ΔP e maior A;

- Velocidades típicas: geralmente usadas na indústria pois costumam indicar um bom investimento;

- Difícil projetar na região de transição pois há um forte efeito de histerese.

- Tomar cuidado com o diâmetro hidráulico, ele pode referir a todo o perímetro molhado no caso de perda de carga e só o cilindro interno no caso de transferência de calor.

- Cálculo de queda de pressão (ΔP)

Obs: a configuração grampo usada em trocadores é útil pois os bocais estão no mesmo lado, poupando espaço dentro de uma indústria.

- Fluidos com maior deposição devem ir no lado interno -> limpeza

- Fluidos com maior pressão irão do lado interno (menos gasto com reforço)

- Problemas com água: solubilidade inversa de alguns sais, parede quente forma depósitos

- Para diminuir a queda de pressão, os grampos podem ser arranjados em paralelo; Não se soma queda de pressão em paralelo

- Configuração série-paralelo:

                               - Calculo de ΔTm para serie paralelo:

- Trocadores de tubos aletados: Nao se calcula com base na area externa pois as aletas nao ficam submetidas a uma mesma ΔTm, usa-se eficiente da aleta.

                               - Aletas do mesmo material do tubo evitam corrosao, usa-se trocadores aletados quando o coeficiente de transferencia convectiva eh muito baixo (geralmente gases)