Na seleção dos componentes do permutador não deve ser ignorado o facto de existir condensação do vapor de água presente nos gases de exaustão da caldeira. Deste modo é necessário ter em consideração este facto no que respeita à seleção dos materiais de fabrico da carcaça. Existe também a necessidade de controlar os condensados no sentido da sua drenagem.
Por outro lado, perante esta questão da seleção de um permutador, deve haver o cuidado de levar em linha de conta as orientações normativas sobre esta matéria. Para o efeito deve-se considerar o sistema de normalização relacionada com estes equipamentos. Concretamente o sistema de normalização TEMA-Tubular Exchangers Manufacturers Association (EUA), já abordado no Capítulo 3.2.2.1.
5.2.1 Seleção dos componentes
Neste ponto pretende-se fazer uma primeira seleção de alguns dos componentes do permutador carcaça-tubos, de forma a definir, em parte, uma primeira constituição básica do permutador pretendido. Simultaneamente é feita uma breve referência a algumas das características desses mesmos componentes que se revelem importantes para a sua seleção e para o seu dimensionamento.
Observação
É importante referir que algumas das características dos componentes agora escolhidas, podem vir a ser alteradas em função dos cálculos que se vierem a realizar na secção 5.3 seguinte.
Assim, atendendo à classificação dos permutadores tipo carcaça-tubos, e segundo os critérios de seleção apresentados em [18], o modelo preliminar do permutador apresenta a seguinte primeira configuração de componentes:
Carcaça “de uma passagem, tipo E”.
Esta escolha é feita pela simplicidade de construção, pelo seu baixo custo, e pelo facto de esta carcaça apresentar a vantagem de permitir uma temperatura média elevada, o que contribui para uma melhor eficiência térmica.
Cabeça frontal “canal integral com chapa suporte de tubos e cobertura amovível, tipo C”
A razão desta opção reside essencialmente no facto de permitir um acesso fácil aos tubos, facilitado pelo seu tipo de cobertura amovível.
Cabeça terminal “flutuante com proteção, tipo S”
Esta solução foi escolhida essencialmente porque tem um baixo custo de manutenção, e também porque é de fácil manutenção.
Dada a sua configuração, as operações de limpeza dos tubos, ou de remoção do feixe, são possíveis e relativamente fáceis de realizar. Ainda que para tal seja necessário proceder à remoção das duas extremidades do permutador
Por outro lado este tipo de cabeça terminal permite dilatações térmicas, o que pode ser importante no funcionamento do permutador.
Separadores “transversais de segmentos simples”
Estes componentes têm uma função muito importante no desempenho do permutador, conforme foi dito na secção 3.2.2.3. Assim, seguem-se algumas notas, importantes para o dimensionamento que se fará no capítulo seguinte.
Estes componentes devem respeitar uma distância entre si compreendida entre um valor mínimo, definido como sendo o maior entre 50.8 mm e 0.2xDc, e um valor máximo que
definido como sendo o diâmetro da carcaça (Dc)
Por outro lado, segundo TEMA, o espaçamento máximo sem que os tubos sejam suportados, deve estar entre 50 e 80 diâmetros dos tubos, consoante o diâmetro dos tubos e o material de que estes são feitos.
Um outro aspeto relevante para o dimensionamento destes componentes do permutador tem que ver com o seu corte, que deve ser igual a 20% do diâmetro da carcaça para o espaçamento mínimo e de 33% para o espaçamento máximo, conforme [18].
Arranjo dos tubos “configuração triangular a 30º “
O arranjo dos tubos é um parâmetro que influencia bastante as condições do escoamento do lado da carcaça (velocidade e a perda de carga), e consequentemente a transferência de calor no permutador.
Quanto à sua escolha, apesar de a limpeza mecânica no lado da carcaça ser beneficiada com arranjos quadrados a 45º ou a 90º, ela recai sobre uma configuração triangular a 30º, conforme o ilustrado na Figura 5.7, dada a sua boa relação transferência de calor/perda de carga. Entretanto para facilitar as operações de limpeza, o passo deve ser o maior possível.
Figura 5.7 - Parâmetros relativos ao arranjo dos tubos no permutador Θtp ângulo; Ltp Passo transversal; Lpp Passo paralelo; Lpn Passo normal
Passo 1¼”
O passo tem bastante influência nas condições do escoamento do lado da carcaça. Para este caso escolheu-se um passo de 1”.
Razão de passo “passo/diâmetro tubos”
Segundo as normas TEMA a razão de passo deve variar entre 1.25 e 1.5.
Tubos “tubos lisos com diâmetro exterior 1” e fabricados em aço inoxidável tipo 410”,
Conforme já foi referido anteriormente, os tubos podem ter ou não alhetas para facilitarem a transferência de calor. Os tubos com alhetas, têm entre 600 e 1000 alhetas por metro, com uma altura compreendida entre 1 a 2 mm. Desta forma é aumentada para o dobro, ou mesmo mais, a área de transferência relativamente aos tubos lisos [18].
Para este caso de estudo as opções foram as seguintes: - Quanto às dimensões, tubos de 1”;
- Quanto à superfície, tubos lisos interior exteriormente;
- Quanto ao material, foi levado em conta que os tubos do permutador devem apresentar características de boa resistência à corrosão, e de elevada condutibilidade térmica. Pelo que, o material escolhido para o fabrico dos tubos do permutador foi o aço inoxidável tipo 410. O cobre também seria uma ótima solução, apresentando uma condutibilidade térmica muito superior, mas o seu preço seria por certo mais elevado, e aparentemente não se justificaria. A condutibilidade térmica do material escolhido tem um valor, λp=24.9 [W/m⸱K] [47].
Número de passagens nos tubos “1 passagem”
Para facilitar em termos da opção pro cabeças do permutador mais simples, o número de passagens nos tubos deve ser tão baixo quanto possível.
5.2.2 Distribuição dos fluidos
Conforme já foi referido anteriormente, os fluidos em causa neste caso de estudo, são os gases de exaustão de uma caldeira industrial a gás para aquecimento de água, e água. Trata-se por isso de um permutador gás-água.
A questão que agora se coloca é a de definir, com base em razões tao objetivas quanto possível, qual dos fluidos deve ser colocado nos tubos, e qual deve ser colocado na carcaça do permutador. Este problema não é de resolução óbvia, na medida em que existem vários aspetos a considerar, e nem todos apontam para a mesma solução.
Assim, na análise deste problema, segundo [18], devem ser analisados e conjugados fatores relacionados com o permutador (limpeza), com as características dos fluidos (potencial corrosivo, viscosidade, custo), e com as condições de funcionamento (pressão, temperatura, caudal, perda de carga).
Desenvolvendo algum raciocínio em torno dos aspetos referidos, pode começar por se dizer que é boa prática colocar nos tubos do permutador o fluido mais sujo, uma vez que são de mais fácil limpeza que a carcaça, o fluido mais corrosivo, para evitar carcaças de ligas especiais bastante caras, o fluido com maior pressão, para evitar carcaças caras devido à grande espessura necessária, o fluido com maior temperatura, para evitar perdas de calor para o exterior pela carcaça e por razões de segurança, o fluido para o qual seja critica a perda de carga, pois esta é mais fácil de ser calculada no tubos do que na carcaça.
Por outro lado, deve colocar-se na carcaça o fluido com menor caudal, para evitar escoamentos turbulentos e uma perda de eficiência dada a necessidade de maior número de passagens.
A solução para este projeto, e após alguma ponderação em torno de todos os aspetos considerados, conduz a uma solução de compromisso que recai em colocar os gases de exaustão da caldeira na carcaça do permutador, devendo a água circular nos tubos.
Para esta opção contribuiu também o propósito de maximizar o coeficiente global de transferência de calor do permutador, colocando o fluido com menor coeficiente de transferência de calor do lado da carcaça. Na circunstância os gases de exaustão.