AS OPERAÇÕES UNITÁRIAS NO TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO E TUBOS

Os trocadores de calor são equipamentos onde dois fluidos, com diferentes temperaturas, trocam calor através de uma interface metálica.

A transferência de calor depende da área percorrida pelo calor no material (espessura da parede), da condutibilidade térmica do material (constante k), da diferença de temperatura entre os fluidos (ⵠT) e da área percorrida pelos fluidos (A).

Além dessas influencias, no dimensionamento, deve-se levar em conta as propriedades químicas dos fluidos empregados, como a condutibilidade térmica, densidade, viscosidade e calor específico, e que muitas variáveis mudam conforme a alteração da temperatura. Dependendo dos fluidos empregados (alimentício, corrosivo, tóxico, inflamável ou com teores de sujeira), as condições de operação, como material do equipamento e posição dos fluidos (circulando no casco ou no interior dos tubos), devem mudar.

Exemplos:

  1. Fluidos com maiores tendências à incrustação: é recomendável que este fluido se localize nos tubos, por ser uma região de fácil manutenção e limpeza. Nos tubos o escoamento é mais uniforme, sem regiões em que a velocidade diminua, como o que pode acontecer na parte do casco.
  2. Fluidos corrosivos: em operações com fluidos corrosivos se faz necessário a utilização de um material resistente à corrosão como o aço carbono galvanizado. É recomendável também que estes se localizem nos tubos, pois em caso de corrosão a manutenção e reconstrução dos tubos é mais fácil.
  3. Fluidos tóxicos e inflamáveis: por questões de segurança, é recomendável que sejam localizados dentro dos tubos.

Pressão e velocidade de escoamento também são fatores importantes para evitar acidentes e possíveis contaminações do fluido, como por exemplo, em operações com alta pressão é necessária uma camada de parede mais espessa, além de aplicar uma maior pressão no fluido que se deseja preservar para caso aconteça uma ruptura na tubulação (exemplo: resfriamento de ácido utilizando água, para o escoamento da água aplica-se uma maior pressão comparada do ácido, pois caso ocorra um vazamento a água não se contaminará).

Para escoamentos em que o fluido possui baixa velocidade, geralmente, esse fluido é situado na região do casco, onde se admite o uso de chicanas – melhorar o rendimento da operação aumentando a turbulência e o coeficiente de transferência de calor.

Figura 1. Trocador de calor do tipo casco-tubo. O fluido B localiza-se na região do casco; o fluido A situasse no interior dos tubos; a movimentação do fluido B é representada pelas linhas pretas.


Figura 2. O fluido presente na região do casco passa pelos feixes, o que proporciona uma turbulência. As chicanas auxiliam também como suporte para os tubos, evitando seu arqueamento.

O fluxo das correntes, geralmente, é em contracorrente, pois proporciona maiores diferenças de temperatura entre os fluidos, o que melhora a transferência de calor. O sentido paralelo é adotado a menos que seja especificado por algum motivo de processo. Em trocadores de calor em que ocorrem mudança de fase o sentido do fluxo já não importa tanto, pois as diferenças de temperatura não se alteram devido se referenciar à troca de calor latente.

Figura 3. Representação gráfica das diferenças de temperatura no fluxo paralelo e contracorrente.

Outra configuração no projeto do trocador é a disposição dos tubos, podendo ser encontrado de passo quadrado, passo triangular, passo quadrado girado e passo triangular girado.

Figura 4. Disposição dos tubos e suas diferentes angulações.

A angulação triangular melhora a convecção, porém aumenta a perda de pressão. O arranjo de passo quadrado reduz a perda de pressão e é propício para a limpeza externa dos tubos, porém possui menor convecção.

Os trocadores de calor também podem apresentar mais de um passe nos tubos ou mais de um passe nos tubos e no casco, o que proporciona, no fim da operação, uma maior quantidade de calor trocada.

Figura 5. Exemplo de trocadores com mais passes, onde (a) é um trocador com dois passes no tubo e um passe no casco.

No momento do dimensionamento do trocador de calor o engenheiro deve ter conhecimento para projetar e otimizar um equipamento que melhor atenda as condições de operações empregadas. Estas foram algumas das opções de escolha que quem está projetando deve tomar tendo como base também os cálculos efetuados no projeto.

REFERÊNCIAS

FOUST, A.S., WENZEL, L. A., CLUMP, C.W., MAUS, L., ANDERSEN, L.B. Princípio das Operações Unitárias. Parte 1. Capítulo 2. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1982.

OLIVEIRA, G. Dimensionamento de um trocador de calor tipo casco e tubos. UFU. Uberlândia. 2010.

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