APOSTILA DE TROCADORES DE CALOR APOSTILA DE TROCADORES DE CALOR © SENAI - SP , 2005
© SENAI - SP , 2005
Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Trabalho editorado pela Escola SENAI "Hessel Horácio Cherkassky" do Departamento Regional de São Paulo
Paulo
Coordenação
Coordenação Geral Geral Adauir Adauir Rodrigues Rodrigues CastroCastro Coordenação
Coordenação Maristela Maristela de de SáSá
Márcio Antônio Barbosa Márcio Antônio Barbosa
Elaboração
Elaboração Carlos Carlos Ribeiro Ribeiro Pinheiro Pinheiro da da SilvaSilva
Conteúdo Técnico: Conteúdo Técnico:
SUMÁRIO
SUMÁRIO
11 TROCADOTROCADORES RES DE DE CALOR...CALOR...11 1.1
1.1 ClasClassifisificaçcaçãoão...11
1.1.1
1.1.1 QuantQuanto o a Passagem de Fluídosa Passagem de Fluídos...11 1.1.1
1.1.1.1.1 Em Em CorreCorrente nte ParalParalelaela ...1....1 1.1.1
1.1.1.2.2 Em ContrEm Contracorracorrente..ente...2...2 1.1.
1.1.1.31.3 Em Em correcorrentes ntes cruzacruzadasdas...22 1.1.1
1.1.1.4.4 Em Em CorreCorrentes ntes mistmistasas ... 33 1.1.2
1.1.2 QuantQuanto o ao ao ArraArranjo njo FísiFísico....co...3....3 1.1.2
1.1.2.1.1 TrocadTrocador or de de calor calor mono mono tubultubular;...ar;...33 1.1.2
1.1.2.2.2 TrocadTrocador or de de calor calor multimultitubultubularar ...4...4 1.1.2
1.1.2.3.3 TrocadTrocador or de de CaloCalor r tipo tipo SerpSerpentinentina...a...5....5 1.1.2
1.1.2.4.4 TrocadTrocador or de de Calor Calor tipo tipo PlacPlacaa ... 66 1.1.3
1.1.3 QuantQuanto à o à ApliAplicação no Processcação no Processoo ...6...6 1.1
1.1.3..3.11 AquAqueceecedordores es ou ou prepreaquaqueceecedordores es (He(Heateater):r): ...6...6 1.1.3
1.1.3.2.2 ResfrResfriadoriadores (Cooleres (Cooler):...):... 66 1.1.3
1.1.3.3.3 ReferRefervedorevedores s (Rebo(Reboilerilers):....s):...77 1.1.3
1.1.3.4.4 CondeCondensadornsadores es (Con(Condenserdenser):..):...77 1.1.3
1.1.3.5.5 GeradGerador de or de Vapor Vapor (Boi(Boiler):ler):... 88 1.1.3
1.1.3.6.6 Caixa Caixa resfrresfriadoriadora a (Cool(Cooling ing Box)Box):...:...8...8 1.1.4
1.1.4 QuantQuanto à mudança do à mudança de fase de um de fase de um dos fluos fluídos..ídos...88
1.2
1.2 DesDescriçcrição ão GeraGeral l de de Um Um TrocTrocadoador r de de CaloCalorr ...8....8
1.2.1
1.2.1 NomenNomenclatuclatura das Pra das Partiartições doções dos Trocs Trocadoreadoress ...8....8 1.2.2
1.2.2 Cabeçotes...Cabeçotes...12...12 1.2.
1.2.2.12.1 CabeçCabeçotes otes estacestacionárionários:.ios:...13....13 1.2.2
1.2.2.2.2 CabeçCabeçote ote de de retorretornono ...14....14 1.2.3
1.2.3 Casco...Casco...1414 1.2.4
1.2.4 TrocadTrocador de or de Calor MultCalor Multipassipassee ...1515 1.2.5
1.2.5 Feixe Feixe de de Tubos...Tubos...15...15 1.2.
1.2.5.15.1 Tubos lisos...Tubos lisos...15....15 1.2.5
1.2.5.2.2 Tubos Tubos aletaaletadosdos ...16....16 1.2.5
1.2.5.3.3 Tubos Tubos em em UU ...1717 1.2.5
1.2.5.4.4 ArraArranjo njo de de tubos tubos no no espelespelhoho...17....17 1.2.5
1.2.5.5.5 DetalDetalhes hes da da UniãUnião o entre entre Tubos Tubos e e EspelEspelhoho...18..18 1.2.6
1.2.6 CaracCaracteriterização zação de um de um PermuPermutador tador (TEM(TEMA N A N – 1)– 1) ...19...19 1.2.6
1.2.6.1.1 DiâmDiâmetro etro NominNominalal ...19....19 1.2.6
1.2.6.2.2 CompComprimenrimento to NomiNominalnal ...1919 1.2.6
1.2.6.3.3 ExemExemplos plos de de nomencnomenclatulaturara ... 1919 1.2.7
1.2.7 EspelEspelhoshos...19....19 1.2.8
1.2.8 SimbSimbologiologiaa ...20....20
1.3
1.3 EscEscolholha do a do FluíFluído do que que PassPassa na nos Tos Tuboubos...s...2020
1.3.1
1.4.7 Aquecimento de Linhas e Equipamentos em Geral ...25
1.4.8 Perda de Eficiência e Limpeza... 25
1.5 TESTE HIDROSTÁTICO ...26
1.5.1 Primeiro teste...26
1.5.2 Segundo teste...27
1.5.3 Terceiro Teste...29
1.5.4 Verificação para Receber um Trocador após Manutenção...29
1 TROCADORES DE CALOR
Trocador ou permutador de calor é um equipamento utilizado para aquecer, resfriar, vaporizar ou condensar fluídos de acordo com as necessidades do processo,
utilizando-se uma parede normalmente metálica para separação dos fluídos, em alguns casos essa parede pode ser de materiais não metálicos, como por exemplo, trocadores de calor com tubos de grafite utilizados nas unidades de ácido fosfórico. No projeto de dimensionamento de trocadores de calor recomenda-se consulta de normas técnicas:
• ASME – Secção VIII –AmericanSociety of Mechanical Engineers • TEMA –Tubular ExchangeManufacturesAssociation
• API –American Petroleum Institute
• ABNT –AssociaçãoBrasileira deNormasTécnicas ( P – NB – 109 ) • ASTM –American Society for Testing Materials
As normas do TEMA servem para 3 classes de permutadores casco e tubos. São os chamados permutadores TEMA classe R, classe C e TEMA classe B. A primeira classe de permutadores (R) é usada em condições severas de
processamento de petróleo e, que são por sua natureza serviços rigorosos, onde se deseja obter segurança e durabilidade. Para esta classe de permutadores, há ainda uma norma suplementar ao TEMA, fornecida pela API (Norma 660).
A classe C dos permutadores é projetada para condições moderadas de operação. tendo em vista a máxima economia e o mínimo tamanho condizentes com as
necessidades de serviço.
A classe B de permutadores é usada em serviços de processamento químico tendo em vista a máxima economia e mínimo tamanho condizente com as necessidades de serviço.
1.1 CLASSIFICAÇÃO
• Quanto à passagem dos fluídos;
• Quanto ao arranjo físico;
• Quanto à aplicação no processo.
O trocador com passagem em corrente paralela é usado quando se deseja uma transferência de calor muito grande no início, com rápido resfriamento.
Exemplo:
Na pasteurização, o leite deve ser
submetido logo no início a uma
temperatura de 80°
para eliminar bactérias, e deve ser resfriado rapidamente para não alterar suas propriedades e paladar. 1.1.1.2 Em Contracorrente São os tipos de trocadores nos quais os fluídos percorrem o trocador em sentido contrário ver figura. A temperatura de saída do fluído quente T2 poderá
ser mais baixa que a temperatura de saída do fluído trio t2, porém, nunca
menor que t1.
1.1.1.3 Em correntes cruzadas Os fluxos dos fluidos frios e quentes se cruzam
perpendicularmente como o representado na figura ao lado. Como no caso de resfriadores de gases "intercoolers" dos compressores;
preaquecedores de ar para a caldeira; preaquecedor de água de caldeira; radiadores, etc.;
1.1.1.4 Em Correntes mistas
A passagem dos fluidos dentro de um
trocador de calor é designada por passo. O aumento do número de passos, num feixe, aumenta a velocidade do fluxo. Um trocador de calor pode ter mais de um passo no fluxo interno aos tubos, neste caso ocorre o
chamado fluxo misto, pois em determinado ponto os fluxos são em paralelo e em outros pontos são contra corrente. Neste caso para o cálculo da temperatura de projeto destes equipamentos, existem tabelas e gráficos de correção.
Não são convenientes a fabricação de feixes com número muito elevado de tubos devido a dificuldades mecânicas com vazamentos e a remoção do feixe.
Sob ponto de vista operacional o uso de
vários trocadores de um só passo em substituição a um de múltiplos passos traz algumas vantagens embora a um custo mais elevado:
A) Facilidade de limpeza. Um dos trocadores pode ser retirado de operação sem prejudicar muitas as condições de processo;
B) Pelas mesmas razões o reparo de vazamentos;
C) A limpeza de feixes menores é mais fácil e rápida em relação, em relação aos feixes maiores.
Obs.:Um trocador contendo chicanas, o fluxo no casco é praticamente em
corrente mista, isto é, serpenteando em relação ao fluxo dos tubos.
1.1.2 Quanto ao Arranjo Físico
1.1.2.1 Trocador de calor mono tubular;
O tipo mais simples de trocador de calor é o mostrado na figura acima, consta de um tubo, posicionado concentricamente a outro tubo que forma a carcaça
Um dos fluidos escoa dentro do tubo interno e o outro através do espaço anular entre os dois tubos. Uma vez que ambas as correntes fluidas atravessam o trocador apenas uma vez, chamamos tal arranjo de trocador de calor de passo simples.
Se ambos os fluidos escoarem na mesma direção, o trocador é chamado de correntes paralelas; se os fluidos se moverem em direção oposta, o trocador é do tipo contra corrente. 1.1.2.2 Trocador de calor multitubular
Um trocador de calor multitubular, consta de um feixe de tubos presos por suas extremidades à duas placas, chamadas espelhos conforme a figura ao lado. Esquematica mente teríamos o seguinte
aspecto para um corte no feixe de tubos. 1) Casco 2) Espelhos; 3) Chicanas; 4) Tubos; 5) Tirantes; 6) Espaçadores; 7) Defletor do carretel;
8) Conexões entrada e saída dos fluidos frios e quentes;
Para evitar que haja flexão dos tubos e também para prover um maior tempo de residência do fluído do casco e uma maior turbulência, coloca-se no feixe, de espaço em espaço placas de metal chamadas chicanas, observe-se que estas chicanas podem ser de três tipos diferentes, a saber:
• Chicanas de orifícios anulares;
• Chicanas do tipo disco e anel ;
• Chicanas segmentadas.
Neste ultimo tipo o corte da chicana pode estar no permutador em posição vertical ou horizontal.
Observe-se que as chicanas, ao contrário dos espelhos, não estão solidárias aos tubos, existindo uma folga entre os tubos e os furos nas chicanas, assim, para que as chicanas fiquem na posição desejada são usados tirantes e espaçadores. 1.1.2.3 Trocador de Calor tipo Serpentina
Este tipo de trocador de calor é muito específico na indústria, e apresenta uma série de configurações, dependendo do tipo de aplicação e do tipo do
equipamento. De uma maneira geral, a configuração é helicoidal ou espiral, muito utilizado em torres de absorção, vasos circulares com agitadores mecânicos, tanques de armazenagem de óleo combustível, tanques de soluções salinas para evitar cristalização, em tanques de fusão (enxofre, por exemplo), etc.
1.1.2.4 Trocador de Calor tipo Placa
Os trocadores tipo placa são disponíveis em diversas formas diferentes: espiral; placa e quadro; placa e aleta soldada; placa aletada e tubo.
Dos quatro modelos acima, destacaremos o trocador de calor tipo placa e
quadro consiste de vários módulos semelhantes à montagem de um filtro prensa.
A vantagem é a pequena perda de carga, o número de placas pode ser aumentado ou diminuído conforme a necessidade, boa eficiência térmica.
1.1.3 Quanto à Aplicação no
Processo
Os trocadores ou permutadores de calor têm várias tarefas em diversos ramos de atividade industrial: refinaria; petroquímica; siderúrgicas; indústrias químicas; etc. 1.1.3.1 Aquecedores ou preaquecedores (Heater):
Neste tipo de permutador cede-se calor sensível a um líquido por meio de vapor d'água ou outro meio qualquer (em sentido geral, algumas fornalhas podem estar incluídas neste tipo).
1.1.3.2 Resfriadores (Cooler):
Nesta classe estão incluídos os permutadores em que o fluido quente é resfriado por água. A maior parte do calor é transferida como calor sensível.
Resfriadores de líquidos
São permutadores usados com objetivo de resfriamento de produtos que vão para tanques de armazenamento. De um modo geral, se o produto é não volátil a escolha da temperatura de saída é definida, principalmente por razões de
segurança. No caso de produtos voláteis a temperatura de saída do produto depende de análise econômica baseada nas perdas por evaporação.
Resfriadores de gases
São normalmente encontrados nos compressores tanto como "aftercooler" após compressão ou como "intercooler" intercalado entre estágios de compressão. Normalmente utiliza-se água de refrigeração, são construídos em tubos aletados e com freqüência há condensação de vapores.
1.1.3.3 Refervedores (Reboilers):
São equipamentos que operam em conjunto com torres de destilação,
vaporizando parte do produto do fundo. A figura acima mostra um dos diferentes tipos de refervedores existentes. O meio de aquecimento pode ser vapor d'água ou outra corrente mais quente da própria unidade.
1.1.3.4 Condensadores (Condenser): São usados para recuperação de
vapores de colunas de destilação ou de evaporadores. Normalmente o fluido refrigerante é água.
Este tipo de condensador tem também a finalidade de recuperar a água com baixo conteúdo de oxigênio que será reusada nas caldeiras.
Os condensadores de superfície são construídos com os espelhos fixos e com duas passagens nos tubos (lado do fluido frio) e são geralmente maiores que os outros tipos, alguns tem mais de 5.500 metros quadrados de superfície de troca térmica.
1.1.3.5 Gerador de Vapor (Boiler):
a) Caldeira: são equipamentos especiais, que serão tratados como assunto específico durante o curso;
b) Gerador de vapor de calor residual : havendo calor disponível, além das necessidades do processo, pode-se usá-lo para gerar vapor via de regra em um permutador tipo termossifão. O vapor é, normalmente gerado no casco, porque:
• Podem ser usados feixes tubulares fixos e um arranjo de tubos triangular.
Este tipo de construção resulta em uma unidade compacta, de custo inicial baixo.
• Freqüentemente o fluido quente tem tendência a formar depósitos ou
incrustações, como no caso de geradores de vapor em unidades de craqueamento catalítico.
1.1.3.6 Caixa resfriadora (Cooling Box):
Quando se resfria um líquido do processo passando por uma serpentina dentro de um reservatório de água
O uso de caixas resfriadoras resulta em vantagem em caso de falha de
suprimento de água de resfriamento, ou no caso em que a água de resfriamento não tenha um bom tratamento.
Também pode ser usado ar como meio de resfriamento tanto para
condensadores como resfriadores, principalmente em locais de escassez de água.
1.1.4 Quanto à mudança de fase de um dos fluídos
a) Trocador de calor sensível :
A troca de calor entre os fluidos dos tubos e do casco sem mudança de fase b) Trocador de calor latente:
A troca de calor com mudança de estado de pelo menos um dos fluidos.
1.2 DESCRIÇÃO GERAL DE UM TROCADOR DE CALOR
1.2.1 Nomenclatura das Partições dos Trocadores
Vimos até aqui uma descrição geral dos chamados permutadores multipasse, apresentamos a seguir um glossário de termos em inglês das peças de um permutador, e a seguir fazemos um estudo detalhado, tanto quanto possível, dessas peças:
Nota
Quando o feixe paralelo não possui o espelho flutuante, a dilatação diferencial do feixe mais o casco e absorvida por uma junta de expansão montada no casco, ver figura do trocador TIPO - BEM.
1) Stationary Head - Channel - Cabeçote estacionário -carretel 2) Stationary Head - Bonnet - Cabeçote estacionário - boleado 3) Stationary Head Flange - Flange do cabeçote boleado
4) Channel Cover - Tampo do carretel
5) Stationary Head Nozzle - bocal do cabeçote estacionário 6) Stationary Tubesheet - espelho fixo
7) Tubes - tubos 8) Shell - casco
9) Shell Cover - tampo do casco
10) Shell Flange - Stationary Head End - flange do casco na extremidade do carretel
11) Shell Flange - Rear Head End - flange do casco na extremidade do cabeçote de retorno
12) Shell Nozzle - bocal do casco ou conexão do casco 13) Shell Cover Flange - flange do cabeçote de retorno 14) Expansion Joint - junta de expansão
15) Floating Tubesheet - espelho flutuante 16) Floating Head Cover - tampo flutuante
23) Packing Box Flange - flange caixa de gaxetas 24) Packing - gaxetas
25) Packing Follower Ring - anel de aperto das gaxetas 26) Lantern Ring - anel de lanterna
27) Tie Rods and Spacers - tirantes e espaçadores
28) Transverse Baffles or Support Plates - chicanas transversais ou chapas de suporte
29) Impingement Baffle - quebra jato
30) Longitudinal Baffle - chicana longitudinal
31) Pass Partition - defletor do carretel (divisor de passa do lado dos tubos) 32) Vent Connection - suspiro
33) Drain Connection - dreno
34) Instrument Connection - conexão de instrumento 35) Support Saddle - berço
36) Lifting Lug - alça de suspensão
37) Support Bracket - orelha (de suporte) 38) Weir - vertedor
39) Liquid Level Connection - conexão de medidor de nível.
1.2.2 Cabeçotes
Os cabeçotes dos permutadores de calor apresentam diversas formas e funções. Um dos cabeçotes está ligado ao feixe de tubos e serve para admissão e/ou admissão e descarga do "fluído dos tubos", é o cabeçote estacionário.
O segundo cabeçote dá acabamento ao casco ou descarga do fluído dos tubos, isto porque, como já vimos um fluído pode fazer uma ou mais passagens através dos tubos, é o chamado cabeçote de retorno. Evidentemente no caso de uma única passagem, ele não será de retorno, embora permaneça o nome.
Os permutadores são classificados pelo TEMA de acordo com a forma dos
cabeçotes e do casco, desse modo à designação do tipo de permutador é feita por um conjunto de três letras que descrevem respectivamente o cabeçote
ACabeçote estacionário tipo canal e carretel removível;
KCasco tipo Reboiler
T Cabeçote Flutuante com tampo preso no espelho
1.2.2.2 Cabeçote de retorno
O cabeçote de retorno pode ser basicamente; de espelho fixo (cabeçote estacionário); cabeçote flutuante ou tubo em U.
Os dois últimos tipos são usados quando há um grande diferencial de
temperatura entre os fluídos, e torna-se necessário prover o permutador para a dilatação do feixe de tubos.
Os cabeçotes de retorno dos tipos L,M e Nsão exatamente iguais aos cabeçotes estacionáriosA, Be C.
Os cabeçotesP, S, T são os cabeçotes flutuantes.
O tipo Pé o cabeçote de retorno engaxetado externamente, neste caso o
cabeçote está solidário ao espelho e deve ter um acabamento muito fino na parte externa, que fica em contato com a gaxeta, para permitir a dilatação do feixe sem que haja vazamento do fluído do casco.
Os dois tipos mais comuns de cabeçote flutuante são oS eT.
O tipo Sé o cabeçote flutuante com anel bipartido e o tipoT é o cabeçote flutuante com tampo preso ao espelho. Nestes dois tipos temos realmente dois cabeçotes um preso ao casco e outro ao feixe de tubos.
O cabeçote do tipo Spermite uma menor folga entre o feixe de tubos e o casco. No cabeçote do tipo W, o selo de pressão entre o lado do casco e o lado dos tubos é feito por um anel de gaxetas preso ao casco e no qual desliza o espelho. Entre as gaxetas existe um anel perfurado que permite a detecção de vazamento do anel de gaxetas, seja no lado do casco seja no lado dos tubos. Este tipo de permutador é utilizado para pressões até 150 psi (10,5 kgf/cm2).
1.2.3 Casco
Envolvendo o feixe de tubos está o, casco, por onde escoa o chamado fluido do casco.
A segunda coluna apresenta as diferentes formas de casco que se pode usar. A este respeito pode-se dizer que em refinarias e o permutador com uma só passagem no cascoE, é o mais comum, e quando se deseja duas passagens de fluído no casco é usual usar-se dois permutadores de uma só passagem, em série. A norma, API 660, recomenda (no item 9.3 desta norma) mesmo que não se use este tipo de construçãoF.
Os cascos do tipo G, He J são usados quando se deseja reduzir a perda de pressão do fluído do casco e ainda no caso de condensadores em série.
O tipoK é usado como refervedor, evaporador ou em refrigeradores e deve ter o diâmetro do casco muito maior que a do feixe para prover espaço para o vapor formado.
1.2.4 Trocador de Calor Multipasse
De um modo geral um permutador multipasse consta de um feixe de tubos por onde circula um dos fluídos, de um casco envolvendo o feixe de tubos e por onde circula o outro fluído e cabeçotes nas extremidades do casco.
O fluído pode passar em uma parte dos tubos, num sentido e noutra em sentido contrário, e neste caso diremos que o fluído do casco faz 1, 2, 3 ou mais
passagens nos tubos. O mesmo pode acontecer no casco.
Podemos então definir um permutador pelo número de passagens que os fluídos fazem no equipamento. Assim um permutador 1:2 é um permutador com uma passagem de fluído no casco e duas nos tubos, um permutador 2:4 indica duas passagens no casco e quatro nos tubos. Na prática nas indústrias químicas, petroquímicas e refinarias a quase totalidade dos permutadores multipasse são 1:2.
Do ponto de vista térmico dois permutadores 1:2 são equivalentes a um permutador 2:4.
1.2.5 Feixe de Tubos
Existem três tipos fundamentais de tubos:
• Lisos;
• Aletados
• Em U
Podendo estes três tipos com costura e sem costura. 1.2.5.1 Tubos lisos
São os mais comumente encontrados na indústria.
A espessura da parede dos tubos é medida em unidadesBirminghamWire Gage (BWG), e o diâmetro nominal do tubo é o próprio diâmetro externo. Assim, tubos com o mesmo BWG têm a mesma espessura. For exemplo: um tubo ¾" 18 BWG tem diâmetro externo de ¾ “ e espessura de 0,049" (1,24 mm); um tubo
1.2.5.2 Tubos aletados
O emprego de tubos com
superfícies ampliadas é importante em casos onde o fluxo térmico é limitado pela natureza dos fluídos que trocam calor entre si,
conjugada as condições de operação (queda de pressão, sujeira, etc.) e fatores que dependem da economia do
processo. A superfície dos tubos é ampliada pelos mais diferentes
modos possíveis, e a seleção do tipo de superfície ampliada mais adequada a um problema vai depender da análise completa das características do problema envolvendo fatores tais como, espaço, limpeza, manutenção, corrosão, custo. Os tubos aletados são classificados segundo dois critérios básicos:
A) Orientação das aletas; transversais ou longitudinais em relação ao tubo base. B) Altura das aletas;
• Tubos de alta aleta; aqueles nos quais as aletas se estendem acima da
superfície dos tubos;
• Tubos de baixa aleta;
Os tubos de aletas são usados normalmente em permutadores bi-tubulares (tubos concêntricos) e neste caso são usadas aletas longitudinais.
Os tubos de aletas altas transversais são usados principalmente em permutadores de ar.
Especialmente adaptáveis ao permutador multipasse são os tubos de baixa aleta, com cerca de 16 a 19 aletas por polegada de comprimento, que tem uma relação
Tubos de baixa aletapodem se usados economicamente quando o coeficiente de película externo for menor que 1/5 do coeficiente de película interno.
1.2.5.3 Tubos em U
É freqüente seu uso quando há grandes gradientes de temperatura entre os fluídos. Freqüentemente os tubos em U são obtidos por
dobramento de tubos lisos. Um problema do projeto de
permutadores com tubos em U é a determinação do comprimento efetivo dos tubos para o cálculo da área de troca de calor.
1.2.5.4 Arranjo de tubos no espelho
Ao se fazer o arranjo dos tubos num permutador deseja-se obter o máximo de tubos numa dada seção transversal e ao mesmo tempo prover espaço para o escoamento do fluido do casco e para uma boa limpeza.
Existem dois tipos básicos de arranjo de tubo: passo triangular e passo quadrado. A figura mostra como se podem dispor estes arranjos. Define-se " passo como a menor distancia centro a centro de tubos adjacentes".
Características:
Passo triangular : Usado geralmente quando o fluido do casco é limpo ou se as incrustações podem ser removidas por tratamento químico. Dá melhores
coeficientes de troca de calor que o arranjo quadrado, mas maior perda de pressão. Seu uso e principalmente indicado em permutadores de espelhos fixos.
Passo Quadrado : É praticamente o único tipo usado em refinarias, pois é de fácil
1.2.5.5 Detalhes da União entre Tubos e Espelho
Os tubos são fixados aos espelhos de diversas maneiras, entre elas citamos:
• Solda de selagem: deve ser
efetuada com cuidado, já que pode provocar deformações no espelho, tensionamento, corrosão e
prejudicando futuras substituições de tubos. São utilizadas máquinas modernas como indicada na figura.
• Mandrilamento:força o tubo
com extremidade ranhurada contra a parede do espelho, através de uma máquina
operatriz giratória contendo na sua extremidade um mandril (semelhante ao de uma furadeira), provocando "amarração" do tubo no espelho.
• Engaxetamento: este tipo de encaixe dos tubos no espelho é aplicado em
trocadores de calor sujeitos a pressões baixas que também nos quais há uma substituição muito freqüente de substituição de tubos. São utilizadas buchas ou gaxetas (não é um sistema muito comum em indústrias
1.2.6 Caracterização de um Permutador (TEMA N – 1)
Para a caracterização completa de um permutador, além da designação do tipo, através da combinação de letras das três colunas requer-se também uma
indicação do seu tamanho, que é feita através dos números que medem respectivamente o diâmetro e o comprimento nominal. Esta indicação deve preceder do tipo do permutador:
1.2.6.1 Diâmetro Nominal
É a parte inteira, em polegadas, do número que mede o diâmetro interno do
casco. No caso de se tratar de um permutador com casco do tipo K, deve-se usar a parte inteira do número que mede a gola ou garganta do casco, seguido da parte inteira do número que mede o diâmetro do casco propriamente dito. 1.2.6.2 Comprimento Nominal
Usa-se o comprimento dos tubos, em polegadas. Para tubos em U o
comprimento nominal é dado pela reta que vai da extremidade do tubo até a extremidade que passa pelo retorno do feixe.
1.2.6.3 Exemplos de nomenclatura Damos a seguir alguns exemplos:
1) Cabeçote flutuante com anel bipartido com tampo e carretel removíveis, uma passagem no casco de 23 ¼ “ de diâmetro e tubos de 16 pés (4,88 metros) de comprimento.
Tamanho 23 - 192 tipo AES figura da página 9
2) Permutador tipo caldeira de cabeçotes flutuante, com tampo e carretel removíveis, 23" de diâmetro da garganta e 27" de D.I. tubos de 16 pés (4,88 metros).
Tamanho 23/27 - 192 – AKT figura da página 9
3) Permutador de espelhos fixos com cabeçotes boleados uma passagem no casco 17" de D.I. com tubos de 16 pés 4,88 metros).
Tamanho 17 - 192 - Tipo B-E-M figura da página 9
4) Permutador com tubos em U, cabeçote estacionário boleado, 19" de D.I. e tubos de 7 pés ( 2,13 metros) de comprimento.
Tamanho 19 - 84 Tipo CFU figura da página 10
que pode ser uma massa refratária, uma chapa fina de material mais nobre fixada, etc.).
1.2.8 Simbologia
Representa-se um trocador de calor da forma ilustrada em fluxogramas de processo de acordo com a figura.
1.3 ESCOLHA DO FLUÍDO QUE PASSA NOS TUBOS
Para a escolha do lado de passagem do fluido no permutador não há regras inflexíveis, mas alguns critérios gerais podem nos orientar. Assim, em ordem aproximada de importância, passam nos tubos:
1.3.1 Fluído mais sujo:
Com depósitos, coque, sedimentos, catalisadores, etc.. É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que a do casco.
1.3.2 Fluído mais corrosivo:
Além de ser mais econômico usar tubos resistentes à corrosão, é mais fácil substituir tubos furados do que cascos.
1.3.3 Fluído com mais pressão:
Porque o casco tem menor resistência, por ser maior o seu diâmetro.
1.3.4 Fluído menos viscoso:
A menos que a perda de carga deva ser muito baixa.
1.3.5 Água de refrigeração:
Por facilidade de limpeza.
1.3.6 Fluído de menor vazão volumétrica
Em vista de o casco oferecer maior espaço, Observação:
Entre líquidos semelhantes, deve-se passar pelos tubos aquele de maior pressão, maior temperatura e o mais corrosivo.
Note-se que vapores condensáveis são geralmente colocados no casco.
1.4 COLOCAÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR EM OPERAÇÃO
1.4.1 Preliminar
a) Certificarem-se de todos os flanges cegos foram removidos;
b) Certificar-se que todos os flanges estejam com as respectivas juntas de vedação e que todos os parafusos estão apertados;
d) Certificar-se que todas às válvulas (bloqueio, suspiros e drenos estejam fechados)
e) Certificar-se que todos os plugues estejam apertados;
f) Certificar-se que o isolamento térmico não esteja encharcado com material inflamável e que esteja completo;
g) Caso não haja instalação fixa para drenagem e ventilação, providenciar mangueiras para esses pontos, alinhando-as para lugar seguro por questões de segurança pessoal e agressão ao meio ambiente.
b) Na partida entra primeiro o fluído mais frio. Se o fluído mais frio estiver
ligeiramente quente, então se deixa o mesmo entrar levemente. Quanto mais quente o fluído, mais lenta deve ser sua entrada no trocador.
Tomando como exemplo o esquema acima, podemos iniciar a operação como se segue:
1) Abrir os suspiros "vents" :D, F, I 2) Abrir os drenos:B, J ;
3) Abrir lentamente a válvulaAde admissão do fluido mais frio. Tão logo apareça líquido nos drenosBe J, fechá-los.
Observações:
- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;
- Se o líquido mais frio estiver aquecido, mais lenta deverá ser sua admissão. 4) Tão logo apareça líquido nos suspiros "vents"I, D, fechá-los.
Observação:
- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;
5) Esperar que a pressão se elevasse e só então destravar a válvula de saídaC, do líquido mais frio.
Observação:
- Há trocadores que possuem instalação independente para enchimento. Valem as observações dos números3 e 4. Assim que a pressão de trabalho for atingido, destravar as válvulasA e a saídaC. Fechar linha de enchimento. 6) Estando o lado frio do trocador preparado, abrir lentamente a válvulaG, do
líquido quente na saída do trocador de calor. Observações:
- Tão logo apareça líquido no drenoH fechá-lo. Percebendo-se a existência de água prosseguir com a drenagem até esgotá-la.
- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;
- Observar a saída de ar através do suspiroF. Quando aparecer líquido fechar este suspiro
- Não drenar o líquido para o chão, e sim direcioná-lo para um lugar seguro e adequado;
7) Esperar que a pressão deste lado do trocador se eleve e só então destravar a válvulaEde entrada do fluido quente.
Observações:
- Há trocadores que possuem instalação independente para enchimento. Valem as observações dos números3 e 4. Assim que a pressão de trabalho for atingido, destravar as válvulasE eG lentamente.
8) Estabelecer vazão pelo lado mais frio abrindo as válvulas Ae C. 9) Estabelecer vazão pelo lado mais quente abrindo as válvulas Ge E
lentamente. Observação:
- Quanto maior a diferença de temperatura entre os dois fluidos mais lento será a admissão do fluido mais quente.
10) Assim que o trocador estiver em regime, anotar as temperaturas para
acompanhamento operacional para se determinara seu desempenho durante o tempo.
1.4.3 Retirada de operação
Observações:
a) É importante que os trocadores de calor sejam resfriados lentamente, especialmente quando as temperaturas de operação são elevadas;
A rápida redução de temperatura pode causar desigualdades na contração do feixe tubular ou casco causado vazamentos, deformações e rupturas no
trocador.
b) Na parada se retira primeiro o fluído mais quente. Levando em conta o mesmo esquema anterior, temos:
1) Fechar lentamente a válvulaE de entrada do fluido quente.
2) Assim que a válvulaEestiver fechado iniciar o fechamento da válvula G de saída do fluido quente.
Observação:
Muito cuidado! Este líquido poderá estar suficientemente quente podendo provocar vaporização e conseqüente situação de insegurança.
6) Aliviar a pressão do lado dos tubos abrindo o drenoB.
Observação:
Muito cuidado! Este líquido poderá estar suficientemente quente podendo provocar vaporização e conseqüente situação de insegurança.
7) Não se observando saída de produto pelo drenos; abrir os suspirosF e Dpara acelerar o esgotamento do trocador.
8) Quando não se notar líquido nos drenos injetar vapor pelos suspirosF e D.
Observação:
- Quando não se notar saída de líquido juntamente com vapor, abrir o suspiroI e o drenoJ.
- Muita atenção!Aliviar vapor de purga para lugar seguro. Evite inalação deste vapor.
9) Quando o vapor de purga sai limpo ( de acordo com a prática) fechar totalmente o vapor de purga.
10) Deixar esfriar o trocador para os serviços de manutenção.
1.4.4 Condições de Segurança
A temperatura e a pressão limites, nas quais devem trabalhar os tubos e o casco, estão especificadas na chapa do fabricante. Elas não devem ser ultrapassadas. Assim, nos resfriadores, a temperatura de saída da água não deve ultrapassar um valor 50oC, para evitar formação ou deposição de sais, aumento do problema de
corrosão, sobrecarga na torre de resfriamento, etc.
1.4.5 Falhas no Suprimento de Água
A falta de suprimento de água de resfriamento pode acarretar sérias conseqüências.
Se o fluido a ser resfriado é muito quente, a interrupção da água pode provocar grande aquecimento no equipamento e violenta vaporização da água que nele permanece.
Se a água voltar a circular, haverá um resfriamento brusco no trocador. Esta
mudança rápida de temperatura pode ocasionar o chamado "martelo hidráulico" ou "golpe de aríete" devido a condensação do vapor d'água com bloqueio de líquido bem como também folgar os parafusos afrouxando as juntas.
Caso surjam falhas no suprimento de água de refrigeração, as medidas imediatas a serem tomadas devem ser, pela ordem, as seguintes;
- Abrir totalmente a(s) válvula(s) de saída de água, caso a(s) mesma (s) esteja(m) fechada(s).
- Providenciar entrada de equipamentos auxiliares para promover externamente a refrigeração do casco (spray, canhões, mangueiras).
- Preparar a unidade para redução de vazão do produto que está sendo admitido no resfriador, inclusive até a paralisação do fluxo, se necessário, caso esta anormalidade perdure por tempo mais longo.
- Caso o suprimento de água de refrigeração se normalize, atuar na(s) válvula(s) de saída de água a fim de manter a estabilidade operacional do equipamento em função do diferencial de temperatura.
1.4.6 Condensado
Deve-se sempre drenar a água de um aquecedor. O contato do vapor em alta velocidade com a água causa o chamado martelo hidráulico, que nada mais é do que um choque de água em velocidade contra um obstáculo. Este impacto pode vir a causar rupturas e deformações no permutador.
1.4.7 Aquecimento de Linhas e Equipamentos em Geral
Deverá sempre ser observado que, qualquer linha ou equipamento, quando frio, não poderá receber fluxo ou produto de temperatura muito mais elevada, a não ser através de introdução lenta e gradual.
Este procedimento visa principalmente proteger o equipamento em si e demais conexões.
1.4.8 Perda de Eficiência e Limpeza
Ocorre quando o permutador está sujo e não há eficiente troca de calor entre as partes. Nesse caso, o pessoal de manutenção
Se os sedimentos estiverem muito agregados no interior dos tubos, entupindo-os, usam-se máquinas perfuratrizes.
Em último caso se providência uma limpeza química.
1.5 TESTE HIDROSTÁTICO
Logo após os serviços de manutenção que um trocador possa sofrer (limpeza,
reparo de vazamentos em flanges, substituição ou plugueamento de tubos, etc.) são feitos testes de pressão, geralmente com água.
Estes testes hidrostáticos têm por objetivo verificar a existência de vazamentos em qualquer ponto do trocador, notadamente nos espelhos do feixe tubular e tampas. além de localizar algum tubo furado.
O trocador é cheio com água limpa à temperatura ambiente e pressurizado até a pressão recomendada. Normalmente esta pressão é dada pela expressão:
P
teste= 1,5 P
proj de TrabalhoEm trocadores que trabalham com temperaturas elevadas, a pressão de teste é corrigida em função da temperatura.
De modo geral as pressões de teste estão estampadas na placa de identificação do trocador.
São executados dois testes hidrostáticos nos trocadores: o teste do casco ou
primeiro teste e o teste dos tubos ou segundo teste, ambos devem ser feitos contra flanges cegos e se a pressão de teste se manter por 30 minutos, considera-se o teste aprovado.
1.5.1 Primeiro teste
Para a execução do
primeiro teste não se coloca a tampa do canal nem a tampa do casco, mas coloca-se o anel de teste conforme figura, para vedar a abertura entre o casco e o espelho flutuante.
1) Estando colocado o anel de teste, conforme
figura, o casco é cheio com água limpa.
Observações:
- Soprar com forte jato de ar comprimido o interior de todos os tubos, para remover toda a água e secá-los.
- Purgar todo o ar que possa ficar aprisionado no casco. Enchê-lo de baixo para cima.
2) Elevar a pressão com auxílio da bomba de teste até a pressão especificada na placa de identificação.
Obs.:
Garantir-se que o manômetro de teste tenha sido aferido 3) Atingida a pressão, manter o casco bloqueado.
Obs.:
- Verificar atentamente a mandrilagem dos tubos nos dois espelhos. Marcar aqueles que vazam para posterior remandrilagem se forem necessário. O remandrilamento sempre será feito com o casco despressurizada figura seguinte.
- Verificar se a junta do casco no lado do canal estiver frouxa, reapertar. - Pluguear os tubos que vazam.
- Não caindo a pressão de teste num prazo de 30 minutos considera-se o teste aprovado.
4) Remover o anel de teste após despressurizar o casco e drenar toda a água e preparar para o segundo teste.
3) Atingida a pressão de teste, bloquear o feixe tubular. Obs.:
• Verificar atentamente os seguintes pontos da figura indicada por uma seta.
• Flange do flutuante. Reapertar se necessário.
• Flange do canal junto ao espelho fixo. Reapertar se necessário.
• Tampa do canal. Reapertar se necessário.
4) Não caindo à pressão num prazo de 30 minutos considera-se o teste aprovado. 5) Despressurizar e drenar toda a água.
6) Recolocar a tampa do casco.
7) Remover todos os flanges cegos colocados para a execução do teste. 8) Reinstalar todos os instrumentos, drenos, suspiros e plugues.
9) Reparar o isolamento térmico se estiver danificado.
De modo geral, a vedação da tampa do casco e verificada durante o teste hidrostático de toda a unidade, ou, durante o enchimento do trocador ao ser colocado em serviço.
1.5.3 Terceiro Teste
Em trocadores de alta responsabilidade torna-se necessário um teste especifico para a tampa do casco conforme figura abaixo.
1.5.4 Verificação para Receber um Trocador após Manutenção.
Após a finalização dos trabalhos de manutenção em um trocador de calor, deve ser realizada uma inspeção cuidadosa em todo o equipamento. Por exemplo deve ser verificado:
- Que não faltem parafusos,
- Que todos os parafusos estejam apertados,
- Que todos os plugues estejam apertados, - Que todos os instrumentos estejam instalados.
