Características e Componentes dos Trocadores de Calor Casco e Tubo

9 Trocadores de calor casco e tubo 91 Introdução Os trocadores de calor casco e tubo são o tipo mais versátil de trocadores de calor Eles são usados nas indústrias de processo em usinas convencionais e nucleares como condensadores geradores de vapor em usinas de reatores de água pressurizada e aquecedores de água de alimentação e são propostos para muitas aplicações de energia alternativa incluindo oceano térmica e geotérmica Eles também são usados em alguns sistemas de ar condicionado e refrigeração Os trocadores de calor de casco e tubo fornecem proporções relativamente grandes de área de transferência de calor para volume e peso e podem ser facilmente limpos Eles oferecem grande flexibilidade para atender a praticamente qualquer requisito de serviço Métodos de projeto confiáveis e instalações de oficina estão disponíveis para seu projeto e construção bemsucedidos Os trocadores de calor casco e tubo podem ser projetados para altas pressões em relação ao ambiente e diferenças de alta pressão entre os fluxos de fluido 92 Componentes Básicos Os trocadores de calor casco e tubo são construídos de tubos redondos montados em um casco cilíndrico com os tubos paralelos ao casco Um fluido flui dentro dos tubos enquanto o outro fluido flui através e ao longo do eixo do trocador Os principais componentes deste trocador são tubos feixe de tubos casco cabeçote frontal cabeçote traseiro defletores e folhas de tubo Peças e conexões típicas apenas para fins ilustrativos são mostradas na Figura 911 921 Tipos de casco Vários tipos de cabeça dianteira e traseira e tipos de concha foram padronizados pela TEMA Tubular Exchanger Manufacturers Association Eles são identificados por um caractere alfabético conforme mostrado na Figura 921 361 Traduzido do Inglês para o Português wwwonlinedoctranslatorcom 362 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição 36 4 3 34 5 31 6 34 12 29 7 8 27 28 18 36 32 36 9 15 16 1 5 34 3 10 35 35 12 34 11 13 17 33 Figura 91 Partes construtivas e conexões 1 cabeça estacionáriacanal 2 cabeçote estacionário capô 3 flange de cabeça estacionária canal ou castelo 4 cobertura do canal 5 bocal de cabeçote estacionário 6 folha de tubo estacionária 7 tubos 8 casca 9 cobertura do casco 10 flange do casco extremidade traseira da cabeça 11 flange do casco extremidade traseira da cabeça 12 bocal de concha 13 flange da tampa do casco 14 junta de dilatação 15 folha de tubo flutuante 16 tampa de cabeça flutuante 17 dispositivo de apoio de cabeça flutuante 18 dispositivo de apoio de cabeça flutuante 19 anel de cisalhamento dividido 20 flange de apoio deslizante 21 tampa de cabeçote flutuante externa 22 saia tubular flutuante 23 caixa de embalagem 24 embalagem 25 bucim de vedação 26 anel de lanterna 27 tirantes e espaçadores 28 defletores transversais ou placas de suporte 29 placa de impacto 30 defletor longitudinal 31 partição de passagem 32 conexão de ventilação 33 conexão de drenagem 34 conexão do instrumento 35 sela de apoio 36 alça de elevação 37 suporte de suporte 38 açude 39 conexão de nível de líquido Cortesia da Associação de Fabricantes de Trocadores Tubulares A Figura 93 mostra os tipos de conchas mais comuns como condensadores v simboliza a localização da ventilação2O Eshell é o mais comum devido ao seu baixo custo e simplicidade Nesta casca o fluido da casca entra por uma extremidade da casca e sai pela outra extremidade ou seja há uma passagem no lado da casca Os tubos podem ter uma ou múltiplas passagens e são suportados por defletores transversais Este invólucro é o mais comum para aplicações de fluido de invólucro monofásico Com uma única passagem do tubo um contrafluxo nominal pode ser obtido Para aumentar as diferenças de temperatura efetivas e portanto a eficácia do trocador um arranjo de contrafluxo puro é desejável para um trocador de duas passagens de tubo Isso é obtido pelo uso de um casco F com um defletor longitudinal e resultando em duas passagens do casco É usado quando são necessárias unidades em série com cada passagem de casca representando uma unidade A queda de pressão é muito maior do que a queda de pressão de um Eshell comparável Outras conchas importantes são as conchas J e X Na casca J de fluxo dividido a entrada de fluido está localizada centralmente e dividida em duas partes O bico único está no ponto médio dos tubos e dois bicos estão perto das extremidades do tubo Este invólucro é usado para aplicações de projeto de baixa queda de pressão como um condensador em vácuo uma vez que o invólucro J tem aproximadamente 18 da queda de pressão de um invólucro E comparável Quando é usado para um fluido de condensação ele terá duas entradas para a fase de vapor e uma saída central para o condensado O Xshell possui uma entrada e saída de fluido localizada centralmente geralmente com uma cúpula distribuidora Os dois fluidos estão ao longo de todo o comprimento dos tubos e estão em arranjo de fluxo cruzado Nenhum defletor é usado neste tipo de concha Trocadores de calor casco e tubo 363 A parte dianteira tipos de cabeça estacionária Extremidade traseira tipos de cabeça Tipos de casca E eu UMA Tubo fixo como a cabeça estacionária A Escudo de uma passagem Canal e tampa removível F M Tubo fixo como a cabeça estacionária B Escudo de duas passagens com defletor longitudinal B G N Tubo fixo como N cabeça estacionária Capô cobertura integral Fluxo dividido P H Cabeça flutuante embalada externamente C Removível tubo pacote só Fluxo de divisão dupla Canal integral com tubo e tampa removível S J Cabeça flutuante com dispositivo de apoio Fluxo dividido N T Puxe através da cabeça flutuante K Canal integral com tubo e tampa removível você Reboiler tipo chaleira Pacote de tubo em U D X C Selado externamente folha de tubo flutuante Fecho especial de alta pressão Fluxo cruzado Figura 92 Tipos de concha padrão e tipos de cabeça de extremidade dianteira e traseira Cortesia da Associação de Fabricantes de Trocadores Tubulares Consequentemente a queda de pressão é extremamente baixa É usado para condensadores de vácuo e gases de baixa pressão As conchas de fluxo dividido como as conchas G e H são usadas para aplicações específicas O Gshell de fluxo dividido possui defletores horizontais com as extremidades removidas os bicos do casco estão separados por 180 no ponto médio dos tubos O G shell tem a mesma queda de pressão que o Eshell mas o fator LMTDFe portanto 364 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição E Hfluxo de divisão dupla JFluxo cruzado Fluxo combinado para condensador Xfluxo cruzado Figura 93 Esboços esquemáticos dos tipos de conchas TEMA mais comuns De Butterworth DTrocadores de Calor de Fluxo Bifásico Fundamentos TérmicoHidráulicos e Projeto Kluwer Holanda 1988 Com permissão a eficácia do trocador é maior para a mesma área de superfície e taxas de fluxo O Gshell pode ser usado para fluxos monofásicos mas é frequentemente usado como um refervedor termossifão horizontal Neste caso o defletor longitudinal serve para evitar a descarga dos componentes mais leves dos fluidos do casco e proporciona maior mistura O Hshell de fluxo duplo dividido é semelhante ao Gshell mas com dois bicos de saída e dois defletores horizontais O Kshell é um refervedor de chaleira com o feixe tubular no fundo do casco cobrindo cerca de 60 do diâmetro do casco O líquido cobre o feixe tubular e o vapor ocupa o espaço superior sem tubos Essa casca é usada quando uma porção de um fluxo precisa ser vaporizada normalmente para uma coluna de destilação O líquido de alimentação entra no reservatório pelo bocal próximo à folha do tubo o vapor quase seco sai pelo bocal superior e o líquido não vaporizado transborda pelo vertedor final e sai pelo bocal direito O feixe de tubos é geralmente uma configuração de tubo em U 922 Tipos de feixes de tubos Os tipos de feixes de tubos mais representativos são mostrados nas Figuras 94963 Os principais objetivos do projeto aqui são acomodar a expansão térmica fornecer facilidade de limpeza ou fornecer a construção menos dispendiosa se outros recursos não forem importantes Uma variação de projeto que permite a expansão independente dos tubos e do casco é a configuração do tubo em U Figura 94 Portanto a expansão térmica é ilimitada O tubo em U é a construção menos dispendiosa porque é necessária apenas uma folha de tubo O lado do tubo não pode ser limpo por meios mecânicos devido à dobra em U Apenas um número par de passagens de tubo pode ser acomodado Os tubos individuais não podem ser substituídos exceto na fileira externa Trocadores de calor casco e tubo 365 uma b Figura 94 a Um trocador de calor cascoetubo de tubo em U nu casco de passagem única defletora Cortesia da PattersonKelley Co e b trocador de calor casco e tubo de tubo em U aletado Cortesia de Brown Fintube Figura 95 Um tubo de duas passagens casco de passagem única defletora trocador de calor casco e tubo projetado para limpeza mecânica do interior dos tubos Cortesia da PattersonKelley Co Uma configuração de chapa de tubo fixa é mostrada na Figura 95 O invólucro é soldado às chapas do tubo e não há acesso à parte externa do feixe de tubos para limpeza Esta opção de baixo custo tem apenas expansão térmica limitada que pode ser um pouco aumentada pelo fole de expansão Os tubos individuais são substituíveis A limpeza dos tubos é mecanicamente fácil Vários projetos foram desenvolvidos que permitem que a chapa do tubo flutue ou seja movase com expansão térmica Um tipo clássico de projeto de cabeçote flutuante pullthrough é mostrado na Figura 96 O pacote pode ser removido com o mínimo de desmontagem o que é importante para unidades de incrustação pesada 366 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Figura 96 Um trocador de calor semelhante ao da Figura 95 exceto que este é projetado com cabeça flutuante para acomodar a expansão térmica diferencial entre os tubos e o casco Cortesia da PattersonKelley Co 923 Tubos e Passes de Tubo Apenas um Eshell com uma passagem de tubo e um Fshell com duas passagens de tubo resultam em contrafluxo nominal Todos os outros passes múltiplos do tubo requerem uma correção do perfil de temperatura fator F ou em alguns casos simplesmente não podem fornecer as temperaturas desejadas devido ao cruzamento de temperatura O próximo recurso é usar várias unidades em série Geralmente um grande número de passagens do tubo é usado para aumentar a velocidade do fluido no lado do tubo e o coeficiente de transferência de calor dentro da queda de pressão disponível e para minimizar a incrustação Se por razões arquitetônicas o fluido do lado do tubo deve entrar e sair do mesmo lado um número par de passagens do tubo é obrigatório O metal do tubo é geralmente aço de baixo carbono aço de baixa liga aço inoxidável cobre almirantado cuproníquel inconel alumínio na forma de ligas ou titânio Outros materiais também podem ser selecionados para aplicações específicas A espessura da parede dos tubos do trocador de calor é padronizada em termos do Birmingham Wire Gage BWG do tubo As Tabelas 91 e 92 fornecem dados sobre os tubos do trocador de calor Diâmetros de tubo pequenos 815 mm são preferidos para maior densidade de área volume mas são limitados para fins de limpeza no tubo a 20 mm 34 pol Diâmetros de tubo maiores são frequentemente necessários para condensadores e caldeiras Os tubos podem ser nus ou ter aletas baixas na parte externa Tubos com aletas baixas são usados quando o fluido na parte externa dos tubos tem um coeficiente de transferência de calor substancialmente menor do que o fluido no interior dos tubos O comprimento do tubo afeta o custo e a operação dos trocadores de calor Basicamente quanto mais longo o tubo para qualquer superfície total menos tubos são necessários menos furos são perfurados e o diâmetro do casco diminui resultando em menor custo Existem é claro vários limites para esta regra geral melhor expressos pela razão entre o diâmetro do casco e o comprimento do tubo que deve estar dentro dos limites de cerca de 15 a 115 O comprimento máximo do tubo às vezes é determinado por layouts arquitetônicos e em última análise pelo transporte até cerca de 30 m Trocadores de calor casco e tubo 367 TABELA 91 Dados dimensionais para tubos comerciais quadrado pés Externo Superfície por pés Comprimento quadrado pés interno Superfície por pés Comprimento Peso por pés Comprimento Aço Libra interno Fluxo Área dentro2 oD de Tubulação dentro EU IRIA Tubulação dentro BWG Medidor Espessura dentro oD EU IRIA 14 14 14 38 38 38 38 12 12 12 12 0805 0805 0805 0805 0805 0805 0805 0805 0805 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 0807 0807 0807 0807 0807 0807 0807 22 24 26 18 20 22 24 16 18 20 22 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 10 11 12 13 14 16 18 0028 0022 0018 0049 0035 0028 0022 0065 0049 0035 0028 0109 0095 0083 0072 0065 0058 0049 0042 0035 0134 0120 0109 0095 0083 0072 0065 0058 0049 0035 0134 0120 0109 0095 0083 0065 0049 00295 00333 00360 00603 00731 00799 00860 01075 01269 01452 01548 01301 01486 01655 01817 01924 02035 02181 02298 02419 01825 02043 02223 02463 02679 02884 03019 03157 03339 03632 02892 03166 03390 03685 03948 04359 04742 00655 00655 00655 00982 00982 00982 00982 01309 01309 01309 01309 01636 01636 01636 01636 01636 01636 01636 01636 01636 01963 01963 01963 01963 01963 01963 01963 01963 01963 01963 02291 02291 02291 02291 02291 02291 02291 00508 00539 00560 00725 00798 00835 00867 00969 01052 01126 01162 01066 01139 01202 01259 01296 01333 01380 01416 01453 01262 01335 01393 01466 01529 01587 01623 01660 01707 01780 01589 01662 01720 01793 01856 01950 02034 0066 0054 0045 0171 0127 0104 0083 0302 0236 0174 0141 0602 0537 0479 0425 0388 0350 0303 0262 0221 0884 0809 0748 0666 0592 0520 0476 0428 0367 0269 1061 0969 0891 0792 0704 0561 0432 0194 0206 0214 0277 0305 0319 0331 0370 0402 0430 0444 0407 0435 0459 0481 049s 0509 0527 0541 0555 0482 0510 0532 0560 0584 0606 0620 0634 0652 0680 0607 0635 0657 0685 0709 0745 0777 1289 1214 1168 1354 1233 1176 1133 1351 1244 1163 1126 1536 1437 1362 1299 1263 1228 1186 1155 1136 1556 1471 1410 1339 1284 1238 1210 1183 1150 1103 1441 1378 1332 1277 1234 1174 1126 Contínuo 368 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 91 continuação Dados dimensionais para tubos comerciais quadrado pés Externo Superfície por pés Comprimento quadrado pés interno Superfície por pés Comprimento Peso por pés Comprimento Aço Libra interno Fluxo Área dentro2 oD de Tubulação dentro EU IRIA Tubulação dentro BWG Medidor Espessura dentro oD EU IRIA 0807 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 114 114 114 114 114 114 114 114 114 114 112 112 112 112 2 2 212 20 8 10 11 12 13 14 15 16 18 20 7 8 10 11 12 12 14 16 18 20 10 12 14 16 11 13 9 0035 0165 0134 0120 0109 0095 0083 0072 0065 0049 0035 0180 0165 0134 0120 0109 0095 0083 0065 0049 0035 0134 0109 0083 0065 0120 0095 0148 05090 03526 04208 04536 04803 05153 05463 05755 05945 06390 06793 06221 06648 07574 08012 08365 08825 09229 09852 1042 1094 1192 1291 1398 1474 2433 2573 3815 02291 02618 02618 02618 02618 02618 02618 02618 02618 02618 02618 03272 03272 03272 03272 03272 03272 03272 03272 03272 03272 03927 03927 03927 03927 05236 05236 06540 02107 01754 01916 01990 02047 02121 02183 02241 02278 02361 02435 02330 02409 02571 02644 02702 02773 02838 02932 03016 03089 03225 03356 03492 03587 04608 04739 05770 0313 1462 1237 1129 1037 0918 0813 0714 0649 0496 0360 2057 1921 1598 1448 1329 1173 1033 0823 0629 0456 1955 1618 1258 0996 2410 1934 3719 0805 0670 0732 0760 0782 0810 0834 0856 0870 0902 0930 0890 0920 0982 1010 1032 1060 1084 1120 1152 1180 1232 1282 1334 1370 1760 1810 2204 1087 1493 1366 1316 1279 1235 1199 1167 1119 1109 1075 1404 1359 1273 1238 1211 1179 1153 1116 1085 1059 1218 1170 1124 1095 1136 1105 1134 Fonte Cortesia da Associação de Fabricantes de Trocadores Tubulares 924 Layout do Tubo O layout do tubo é caracterizado pelo ângulo incluído entre os tubos conforme mostrado na Figura 97 Um layout de 30 resulta na maior densidade do tubo e portanto é usado a menos que outros requisitos determinem o contrário Por exemplo pistas livres 14 pol ou 7 mm são necessárias devido à limpeza externa usando um layout quadrado de 90 ou 45 Passo do tuboPT é geralmente escolhido de modo que a razão de passo Trocadores de calor casco e tubo 369 TABELA 92 Dados do trocador de calor e do tubo do condensador Cruz Área Seccional Área de Superfície Nominal Cano Tamanho pol fora Diâmetro Número Espessura Diâmetro Externo Interno pol ou Peso pol pol ft2pés pés2pés Cronograma Parede Lado de dentro Metal Área dentro2 Fluxo Área dentro2 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 10 S 40 80 10 S 40 80 10 S 30 80 10 S 30 0113 0154 0133 0179 0140 0191 0145 0200 0154 0218 0203 0276 0216 0300 0226 0318 0237 0337 0134 0258 0375 0134 0280 0432 0148 0277 0500 0165 0279 0500 0824 0742 1049 0957 138 1278 161 150 2067 1939 2469 2323 3068 2900 3548 3364 4026 3826 5295 5047 4813 6357 6065 5761 8329 8071 7625 10420 10192 9750 0275 0275 0344 0344 0434 0434 0497 0497 0622 0622 0753 0753 0916 0916 1047 0929 2680 989 1047 0881 3678 889 1178 1178 1456 1456 1456 1734 1734 1734 2258 2258 2258 281 281 281 0216 0194 0275 0250 0361 0334 0421 0393 0541 0508 0646 0608 0803 0759 0333 0434 0494 0639 0668 0881 0799 1068 1767 1074 3356 1477 2953 1704 479 2254 424 2228 730 3106 660 0533 0432 0864 0719 1496 1283 2036 34 105 1 1315 114 1660 112 1900 2 2375 212 2875 3 35 312 40 1054 1002 1386 1321 1260 1664 1588 1508 2180 2113 1996 317 441 229 4h30 611 273 558 840 394 726 1276 457 1273 11h50 2202 2001 1819 317 289 261 545 512 4 45 5 5563 6 6625 8 8625 273 267 255 549 1809 1610 747 853 816 10 1075 Extra pesado 10 S 30 0180 0330 0500 12390 1209 1175 334 334 334 324 317 308 711 1288 1148 1924 1084 1206 1275 Extra pesado 10 0250 135 367 353 1080 1431 Contínuo 370 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 92 Continuação Dados do trocador de calor e do tubo do condensador Cruz Área Seccional Área de Superfície Nominal Cano Tamanho pol fora do cronograma Diâmetro Número Espessura Diâmetro Externo Interno pol ou Peso pol pol ft2pés pés2pés Parede Lado de dentro Metal Área dentro2 Fluxo Área dentro2 14 140 Padrão 0375 0500 1325 13h00 367 367 347 1605 1379 340 2121 1327 Extra pesado 10 Padrão 0250 0375 0500 1550 1525 15h00 419 419 419 406 1237 1887 399 1841 1827 393 2435 1767 16 160 Extra pesado 10 S Padrão 0188 0375 0500 17624 1725 17h00 471 471 471 461 1052 452 2076 445 2749 2270 2439 2337 18 180 Extra pesado FonteCortesia da Associação de Fabricantes de Trocadores Tubulares Fluxo Fluxo 30 45 Fluxo Fluxo 90 60 Figura 97 Ângulos de layout do tubo Trocadores de calor casco e tubo 371 PTdo está entre 125 e 15 Quando os tubos estão muito próximos a folha do tubo torna se estruturalmente fraca O layout do tubo e as localizações dos tubos foram padronizados O número de tubos contagens de tubos que podem ser colocados dentro de uma casca depende do layout do tubo diâmetro externo do tubo tamanho do passo número de passagens e diâmetro da casca As contagens de tubos são fornecidas na Tabela 93 que na verdade fornece o número máximo de tubos que podem ser acomodados nas condições especificadas Por exemplo considere tubos de diâmetro externo de 1 pol dispostos em um passo quadrado de 125 pol com um diâmetro de casca de 31 pol Se o trocador de calor for de duas passagens 2P o número máximo de tubos é 398 925 Tipo de defletor e geometria Os defletores têm duas funções a mais importante para apoiar os tubos para rigidez estrutural evitando a vibração e a flacidez do tubo e em segundo lugar para desviar o fluxo através do feixe para obter um coeficiente de transferência de calor mais alto Os defletores podem ser classificados como tipos transversais e longitudinais por exemplo o Fshell tem um defletor longitudinal Os defletores transversais podem ser classificados como defletores de placa e defletores de haste Os tipos de defletores de placa mais comumente usados são mostrados na Figura 98 e são descritos brevemente abaixo4 Os defletores segmentares simples e duplos são os mais utilizados Eles desviam o fluxo de forma mais eficaz através dos tubos O espaçamento do defletor no entanto deve ser escolhido com muito cuidado O espaçamento ideal do defletor está em algum lugar entre 04 e 06 do diâmetro do casco e um corte do defletor de 25 a 35 é geralmente recomendado Os defletores segmentares triplos e sem tubos na janela são usados para aplicações de baixa queda de pressão que são aproximadamente 05 e 03 do valor segmentar A construção sem tubos na janela elimina os tubos que são suportados apenas por defletores a cada segundo minimizando assim a vibração do tubo Os defletores de disco e anel donut são compostos de anéis externos e discos internos alternados que direcionam o fluxo radialmente através do campo do tubo O potencial fluxo de desvio bundletoshell é assim eliminado existem algumas indicações de que o tipo defletor é muito eficaz na conversão de queda de pressão em transferência de calor Atualmente esses defletores são raramente usados nos Estados Unidos mas são populares na Europa Outro tipo de defletor de placa é o defletor de orifício no qual o fluido do lado do casco flui através da folga entre o diâmetro externo do tubo e o diâmetro do orifício do defletor Os defletores de haste ou grade são formados por uma grade de suportes de haste ou tira Figura 99 O fluxo é essencialmente longitudinal resultando em quedas de pressão muito baixas Devido ao espaçamento estreito do defletor o perigo de vibração do tubo é praticamente eliminado Esta construção pode ser usada de forma eficaz para condensadores verticais e refervedores 372 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 93 Layouts de tubocasca contagens de tubos ID do shell dentro 1P 2P 4P 6P 8P 34 pol Tubos OD em 1 pol passo triangular 8 10 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 37 61 92 109 151 203 262 316 384 470 559 630 745 856 970 1074 1206 30 52 82 106 138 196 250 302 376 452 534 604 728 830 938 1044 1176 24 40 76 86 122 178 226 278 352 422 488 556 678 774 882 1012 1128 24 36 74 82 118 172 216 272 342 394 474 538 666 760 864 986 1100 70 74 110 166 210 260 328 382 464 508 640 732 848 870 1078 1 pol tubos OD em 1 14 pol passo triangular 8 10 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 21 32 55 68 91 131 163 199 241 294 349 397 472 538 608 674 766 16 32 52 66 86 118 152 188 232 282 334 376 454 522 592 664 736 16 26 48 58 80 106 140 170 212 256 302 338 430 486 562 632 700 14 24 46 54 74 104 136 164 212 252 296 334 424 470 546 614 688 44 50 72 94 128 160 202 242 286 316 400 454 532 598 672 Trocadores de calor casco e tubo 373 TABELA 93 continuação Layouts de tubocasca contagens de tubos ID do shell dentro 1P 2P 4P 6P 8P 34 pol Tubos OD em 1 pol passo quadrado 8 10 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 32 52 81 97 137 177 224 26 52 76 90 124 166 220 20 40 68 82 116 158 204 20 36 68 76 108 150 192 60 70 108 142 188 34 pol Tubos OD em 1 pol passo quadrado 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 277 341 413 481 553 657 749 845 934 1049 270 324 394 460 526 640 718 824 914 1024 246 308 370 432 480 600 688 780 886 982 240 302 356 420 468 580 676 766 866 968 234 292 346 408 456 560 648 748 838 948 1 pol tubos OD em 1 14 pol passo quadrado 8 21 32 16 32 14 26 10 24 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 48 61 81 112 138 177 213 260 300 341 406 465 522 596 665 45 56 76 112 132 166 208 252 288 326 398 460 518 574 644 40 52 68 96 128 158 192 238 278 300 380 432 488 562 624 38 48 68 90 122 152 184 226 268 294 368 420 484 544 612 36 44 64 82 116 148 184 222 260 286 358 414 472 532 600 Contínuo 374 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 93 continuação Layouts de tubocasca contagens de tubos ID do shell dentro 1P 2P 4P 6P 8P 34 pol Tubos OD em 1516 pol passo triangular 8 10 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 36 62 109 127 170 239 301 361 442 532 637 721 847 974 1102 1240 1377 32 56 98 114 160 224 282 342 420 506 602 692 822 938 1068 1200 1330 26 47 86 96 140 194 252 314 386 468 550 640 766 878 1004 1144 1258 24 42 82 90 136 188 244 306 378 446 536 620 722 852 988 1104 1248 18 36 78 86 128 178 234 290 364 434 524 594 720 826 958 1072 1212 1 14 pol tubos OD em 1 916 pol passo quadrado 10 16 12 10 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 30 32 44 56 78 96 127 140 166 193 226 258 293 334 370 24 30 40 53 73 90 112 135 160 188 220 252 287 322 362 22 30 37 51 71 86 106 127 151 178 209 244 275 311 348 16 22 35 48 64 82 102 123 146 174 202 238 268 304 342 16 22 31 44 56 78 96 115 140 166 193 226 258 293 336 Trocadores de calor casco e tubo 375 TABELA 93 continuação Layouts de tubocasca contagens de tubos ID do shell dentro 1P 2P 4P 6P 8P 1 12 pol tubos OD em 1 78 pol passo quadrado 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 16 22 29 29 50 62 78 94 112 131 151 176 202 224 252 16 22 29 39 48 60 74 90 108 127 146 170 196 220 246 12 16 24 34 45 57 70 86 102 120 141 164 188 217 237 12 16 24 32 43 54 66 84 98 116 138 160 182 210 230 22 29 39 50 62 78 94 112 131 151 176 202 224 1 12 pol tubos OD em 1 78 pol passo triangular 12 13 ¼ 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 18 27 26 48 61 76 95 115 136 160 184 215 246 275 307 14 22 34 44 58 78 91 110 131 154 177 206 238 268 299 14 18 32 42 55 70 86 105 125 147 172 200 230 260 290 12 16 30 38 51 66 80 98 118 141 165 190 220 252 284 12 14 27 36 48 61 76 95 115 136 160 184 215 246 275 1 14 pol Tubos OD em 916 pol passo triangular 10 10 12 ¼ 13 ¼ 20 32 38 18 30 36 14 26 32 22 28 20 26 Contínuo 376 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 93 continuação Layouts de tubocasca contagens de tubos ID do shell dentro 1P 2P 4P 6P 8P 15 ¼ 17 ¼ 19 ¼ 21 ¼ 23 ¼ 25 27 29 31 33 35 37 39 54 69 95 117 140 170 202 235 275 315 357 407 449 51 66 91 112 136 164 196 228 270 305 348 390 436 45 62 86 105 130 155 185 217 255 297 335 380 425 42 58 78 101 123 150 179 212 245 288 327 374 419 38 54 69 95 117 140 170 202 235 275 315 357 407 FonteDe Kern DQTransferência de calor do processo McGrawHill Nova York 1950 Com permissão 926 Alocação de Fluxos Uma decisão deve ser tomada sobre qual fluido fluirá através dos tubos e qual fluirá através do casco Em geral as seguintes considerações se aplicam O fluido mais sujo flui através do tubo uma vez que o lado do tubo é mais fácil de limpar especialmente se for necessária uma limpeza mecânica O fluido de alta pressão flui através dos tubos Devido ao seu pequeno diâmetro os tubos de espessura normal estão disponíveis para suportar pressões mais altas e apenas os canais do lado do tubo e outras conexões precisam ser projetados para suportar altas pressões O fluido corrosivo deve fluir pelos tubos caso contrário tanto o casco quanto os tubos serão corroídos Ligas especiais são usadas para resistir à corrosão e é muito mais barato fornecer tubos de ligas especiais do que fornecer tubos especiais e um invólucro de liga especial A corrente com o menor coeficiente de transferência de calor flui no lado do casco pois é fácil projetar tubos aletados externos Em geral é melhor colocar a corrente com menor vazão mássica no lado do casco O fluxo turbulento é obtido em números de Reynolds mais baixos no lado da casca Os problemas surgem quando os requisitos acima estão em conflito Então o projetista deve estimar os tradeoffs e encontrar as escolhas mais econômicas Trocadores de calor casco e tubo 377 Casca Defletor de segmento único Tubo Defletor de segmento duplo Defletor triplosegmentar Defletor segmentado sem tubos na janela Rosquinha Disco Defletor de disco e rosquinha Orifício UMA UMA Tubo Seção AA Defletor de orifício Defletor Figura 98 Tipos de defletores de placas Adaptado de Kakaç S Bergles AE e Mayinger F Eds Trocadores de Calor Fundamentos TérmicoHidráulicos e Projeto Taylor e Francis Washington DC 1981 378 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Hastes do Baffle 2 Vara do Baffle 3 Defletor de haste 4 Anel defletor Defletor de haste 3 Vara de Defletor 4 Defletor de haste 2 Defletor nº 1 Haste a partir de Defletor nº 4 uma Hastes do Baffle 1 Tubo Esquema Quadrado c Barra de deslizamento Tubo Haste ou Barra Bastões Um tubo apoiado por quatro hastes em um ângulo de 90 ao redor da periferia Esquema Triangular d b Figura 99 a Quatro defletores de haste mantidos por barras deslizantes nenhum tubo mostrado b um tubo suportado por quatro hastes c um layout quadrado de tubos com hastes e d um layout triangular de tubos com hastes Adaptado de Kakaç S Bergles AE e Mayinger F EdsTrocadores de Calor Fundamentos TérmicoHidráulicos e Projeto Taylor e Francis Washington DC 1981 93 Procedimento Básico de Projeto de um Trocador de Calor Um trocador de calor de casco e tubo selecionado deve satisfazer os requisitos do processo com as quedas de pressão permitidas até a próxima limpeza programada da planta A estrutura lógica básica do procedimento de projeto do trocador de calor de processo é mostrada na Figura 9105 Primeiro o problema deve ser identificado da forma mais completa possível Não apenas questões como taxas de fluxo e composições condensação ou ebulição temperaturas de entrada e saída e pressões de ambas as correntes mas também a exata Trocadores de calor casco e tubo 379 Problema identificação e elementos dentro deste caixa pode ser feita por mão ou computador Seleção de um calor básico tipo de trocador Seleção de um conjunto provisório do projeto do trocador parâmetros Modificação do projeto parâmetros Avaliação do projeto desempenho térmico queda de pressão Avaliação do projeto QP aceitável Inaceitável Aceitável Projeto mecânico custo etc Figura 910 Estrutura lógica básica para projeto de trocadores de calor de processo Baseado em Bell KJTrocadores de Calor Fundamentos TérmicoHidráulicos e Projeto Taylor e Francis Washington DC 1981 requisitos do engenheiro de processo e as informações adicionais necessárias para o engenheiro de projeto devem ser discutidas em detalhes O principal dever do engenheiro de processo é fornecer todas as informações ao projetista do trocador de calor Neste ponto do processo de projeto a configuração básica do trocador de calor deve ser selecionada provisoriamente ou seja se deve ser tubo em U casco de passagem única com defletor um passe de tubo casco de passagem única com defletor com tubos fixos ou um trocador de calor casco e tubo com uma cabeça flutuante para acomodar a expansão térmica diferencial entre o tubo e o casco se não for incondicionalmente desejado O próximo passo é selecionar um conjunto provisório de parâmetros de projeto do trocador Uma estimativa preliminar do tamanho do trocador de calor pode ser feita conforme descrito na Seção 931 abaixo Em seguida o projeto inicial será avaliado ou seja o desempenho térmico e as quedas de pressão para ambos os fluxos serão calculados para este projeto 380 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição 931 Estimativa preliminar do tamanho da unidade O tamanho do trocador de calor pode ser obtido da Equação 236 Q vocêoTm Q UMAo 91 vocêoFTfilmecf OndeUMAoé a área de superfície externa de transferência de calor com base no diâmetro externo do tubo eQé a carga térmica do trocador Primeiro estimamos os coeficientes individuais de transferência de calor com fatores de incrustação Tabelas como as Tabelas 94 e 95 para a estimativa de coeficientes individuais de transferência de calor ou coeficientes globais de transferência de calor estão disponíveis em vários manuais A estimativa dos coeficientes de transferência de calor é preferível para estimar o coeficiente global de transferência de calor então o projetista pode ter uma ideia da magnitude relativa das resistências67 O coeficiente global de transferência de calorvocêo com base no diâmetro externo dos tubos pode ser estimado a partir dos valores estimados dos coeficientes individuais de transferência de calor resistência de parede e incrustação e a eficiência geral da superfície usando a Equação 217 1 vocêo UMA UMAeu Rf ηeu UMAoRW Rpara 1 ηoho o 1 ηeuheu eu ηo 92 Nesta fase é útil determinar a distribuição das resistências térmicas em condições limpas e sujas Para a passagem de tubo único trocador de calor puramente contracorrenteF100 Para uma casca de projeto preliminar com qualquer número par de passagens laterais do tubo F pode ser estimado em 09 A carga de calor pode ser estimada a partir do balanço de calor como Qmcp Tc Tc mcp ThTh c 2 1 h 1 2 93 Se um fluxo muda de fase Qmhfg 94 Ondemé a massa da fase de mudança de fluxo por unidade de tempo ehfgé o calor latente da mudança de fase Precisamos calcular o LMTD para o fluxo em contracorrente das quatro temperaturas de entradasaída dadas Se três temperaturas são conhecidas a quarta pode ser encontrada a partir do balanço de calor ThTcTh Tc Tfilmecf 1 2 2 1 ThT ln 95 1 c2 Th2 Tc1 Trocadores de calor casco e tubo 381 TABELA 94 Coeficientes de transferência de calor de filme típicos para trocadores de calor de casco e tubo Condição do fluido Wm2 K Transferência de calor sensível Água Amônia Orgânicos leves Orgânicos médios Orgânicos pesados Líquido Líquido Líquido Líquido Líquido Aquecimento Resfriamento Líquido Aquecimento Resfriamento 12 barras abdominais 10 barras abdominais 100 bar abs 50007500 60008000 15002000 7501500 250750 150400 Orgânicos muito pesados 100300 60150 80125 250400 500800 Gás Gás Gás Condensação de transferência de calor vapor amônia Orgânicos leves Não condensável Componente puro abs de 01 bar não condensável 800012000 20005000 Orgânicos leves Orgânicos médios Orgânicos pesados 01 bar 4 não condensável Faixa de condensação pura ou estreita 1 bar abs Faixa de condensação estreita 1 bar abs Faixa de condensação média 1 bar abs 7501000 15004000 6002000 10002500 Multicomponente leve mistura tudo condensável Multicomponente médio mistura tudo condensável Faixa de condensação média 1 bar abs 6001500 Multicomponente pesado mistura tudo condensável Faixa de condensação média 1 bar abs 300600 Transferência de calor por vaporização Água Água Pressão 5 bar abs ΔT25 K Pressão 5100 bar abs ΔT20 K Pressão 30 bar abs ΔT20 mil 500010000 400015000 30005000 20004000 Amônia Orgânicos leves Componente puro pressão 30 bar abs ΔT20 mil Orgânicos leves Faixa de ebulição estreita pressão 20150 bar abs ΔT1520K 7503000 Orgânicos médios Faixa de ebulição estreita pressão 20 bar abs ΔTmáximo15K 6002500 Orgânicos pesados Faixa de ebulição estreita pressão 20 bar abs ΔTmáximo15K 4001500 382 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 95 Coeficientes de transferência de calor globais aproximados para análise preliminar Fluidos U Wm2 K Água para água Amônia para água Gases para água Água para ar comprimido Água para óleo lubrificante Orgânicos leves μ 5104Nsm2 para água Orgânicos médios 5104 μ 10104Nsm2 para água Orgânicos pesados μ 10104Nsm2 para óleo lubrificante Vapor para água Vapor para amônia Água para condensação de amônia Água para ebulição Freon12 Vapor para gases Vapor para orgânicos leves Vapor para orgânicos médios Vapor para orgânicos pesados De orgânicos leves para orgânicos leves De orgânicos médios para orgânicos médios De orgânicos pesados para orgânicos pesados De orgânicos leves para orgânicos pesados De orgânicos pesados para orgânicos leves Petróleo bruto para gasóleo Trocadores de calor de placas água para água Evaporadores vaporágua Evaporadores vaporoutros fluidos Evaporadores de refrigeração Condensadores vaporágua Condensadores vaporoutros fluidos Caldeira a gás Banho de óleo para aquecimento 13002500 10002500 10250 50170 110340 370750 240650 25400 22003500 10003400 8501500 2801000 25240 4901000 250500 30300 200350 100300 50200 50200 150300 130320 30004000 15006000 3002000 3001000 10004000 3001000 1050 30550 O problema agora é converter a área calculada da Equação 91 em dimensões razoáveis da primeira tentativa O objetivo é encontrar o número certo de tubos de diâmetrodoe o diâmetro da cascaDs para acomodar o número de tubosNt com determinado comprimento do tuboeu UMAo πdoNteu 96 Podese encontrar o diâmetro da cascaDs que conteria o número certo de tubosNt de diâmetrodo Trocadores de calor casco e tubo 383 O número total de tubosNt pode ser previsto em boa aproximação em função do diâmetro da casca tomando o círculo da casca e dividindoo pela área projetada do layout do tubo Figura 97 pertencente a um único tuboUMA1 πD2 4UMA1 NC s t TP 97 OndeCTPé a constante de cálculo da contagem de tubos que leva em conta a cobertura incompleta do diâmetro do casco pelos tubos devido a folgas necessárias entre o casco e o círculo externo do tubo e omissões de tubos devido às pistas de passagem dos tubos para projeto de passagem multitubos Com base em uma folha de tubo fixa os seguintes valores são sugeridos uma passagem de tubo duas passagens de tubo três passagens de tuboCTP085 UMA1CLP2 CTP093 CTP090 98 T OndeCLé a constante de layout do tubo CL10 por 90 CL 087 para 30 e 45 e 60 A equação 97 pode ser escrita como CTP CL D2 RP N0785 s t 99 2d2o OndeRPé a razão de passo do tubo PTdo SubstituindoNtda Equação 96 para a Equação 99 uma expressão para o diâmetro da casca em termos de diâmetros de construção principais pode ser obtida como7 12 CLUMAoRP CTP eu 2 d Ds0 637 o 910 Exemplo 91 Um trocador de calor deve ser projetado para aquecer água bruta pelo uso de água condensada a 67C e 02 bar que fluirá no lado do casco com uma vazão mássica de 50000 kgh O calor será transferido para 30000 kgh de água da cidade proveniente de um abastecimento a 17C cp4184 Jkg K É preferível um único invólucro e uma única passagem de tubo Uma resistência à incrustação de 384 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição 0000176 m2 KW é sugerido e a superfície sobre o design não deve ser superior a 35 Uma velocidade máxima do refrigerante de 15 ms é sugerida para evitar a erosão É necessário um comprimento máximo de tubo de 5 m devido às limitações de espaço O material do tubo é aço carbono k60 Wm K A água bruta fluirá dentro de 34 pol tubos retos 19 mm OD com 16 mm ID Os tubos são dispostos em um passo quadrado com uma razão de passo de 125 O espaçamento do defletor é aproximado por 06 do diâmetro do casco e o corte do defletor é ajustado para 25 A queda de pressão máxima permitida no lado do casco é de 50 psi A temperatura de saída da água não deve ser inferior a 40C Faça a análise preliminar Solução Análise preliminarA temperatura de saída da água fria de pelo menos 40C determina a configuração do trocador a ser considerada O dever de calor pode ser calculado a partir do fluxo frio totalmente especificado Qmcp Tc Tc c 2 1 30000 3600 Q 417940 17801 kW A temperatura de saída da água quente tornase Q Thmcp 801103 Th2 1 67 532C 50000 4184 h 3600 Primeiro temos que estimar os coeficientes individuais de transferência de calor da Tabela 94 Podemos assumir o coeficiente de transferência de calor do lado do casco e o coeficiente de transferência de calor do lado do tubo como 5000 Wm2 K e 4000 Wm2 K respectivamente Assumindo tubos nus podese estimar o coeficiente global de transferência de calor da Equação 92 como 1 vocêf 1 ho r o 1 heu lnrr k R f ro oeu reu t 1 1 19 16 4000 1 0019 ln1916 vocêf 0000176 14284 Wm2K 5000 2 60 e 1 vocêc 1 ho r 1 heu lnror k o ro eu reu 1 19 16 4000 1 0019 2 ln19161 vocêc 5000 190809 Wm2K 60 Trocadores de calor casco e tubo 385 Precisamos calcular ΔTmdas quatro temperaturas de entrada e saída T1T2 lnT1T2 27 362 Tfilmecf 314C 27 ln 362 AssumindoF090 então Tm090Tfilmecf09031428C Em seguida podemos estimar as áreas necessáriasUMAfeUMAc Q vocêfTm 80193103 14284028 UMAf 2005 m2 Q vocêcTm 80193103 19080928 UMAc 1501 m2 A superfície sobre o design éUMAfUMAc134 34 o que é aceitável O diâmetro da casca pode ser calculado a partir da Equação 910 ondedo 0019m RP125CTP093CL10 e vamos suporeu3m 2 12 CLUMA Ds 0637 oRPd eu o CTP 10 2005 093 1252 3 0019 12 0637 0294 marredondar para 030 m O número de tubos pode ser calculado a partir da Equação 99 como CTP CLRP D2 N0785 s t 2d2 o 078509303 2 Nt 11648117 1012520019 2 386 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição O espaçamento do defletor pode ser considerado de 04 a 06 do diâmetro do casco então vamos supor 06Ds Isso nos daráB018 m que pode ser arredondado para 02 m Portanto a estimativa preliminar do tamanho da unidade é Diâmetro do casco Comprimento do tubo Diâmetro do tubo Espaçamento do defletor Proporção do tom DS03 m eu3m OD 19 mm DI 16 mm B020 m defletor cortado 25 PTdo125 passo quadrado Em seguida deve ser realizada uma análise de classificação que é apresentada nas seções a seguir 932 classificação do projeto preliminar Depois de determinar os parâmetros de projeto de construção selecionados e calculados provisórios ou seja depois que um trocador de calor estiver disponível com as especificações do processo esses dados podem ser usados como entradas em um programa de classificação de computador ou para cálculos manuais O programa de classificação é mostrado esquematicamente na Figura 9115 Em alguns casos um trocador de calor pode estar disponível e a análise de desempenho para este trocador de calor disponível precisa ser feita Nesse caso uma análise preliminar do projeto não é necessária Se o cálculo mostrar que a quantidade de calor necessária não pode ser transferida para satisfazer as temperaturas de saída específicas ou se uma ou ambas as quedas de pressão permitidas forem excedidas é necessário selecionar um trocador de calor diferente e reclassificálo ver Exemplo 92 Para o processo de classificação todos os cálculos geométricos preliminares devem ser realizados como entrada para a transferência de calor e as correlações de queda de pressão Quando o trocador de calor está disponível todos os parâmetros geométricos também são conhecidos No processo de classificação os outros dois cálculos básicos são os cálculos dos coeficientes de transferência de calor e as quedas de pressão para cada fluxo especificado Se o comprimento do trocador de calor for fixo o programa de classificação calcula as temperaturas de saída de ambos os fluxos Se o serviço de aquecimento carga de calor for fixo o resultado do programa de classificação Taxas de fluxo Temperaturas Pressões Programa de classificação 1 Cálculos de geometria 2 Correlações de transferência de calor 3 Correlações de queda de pressão Temperaturas de saída comprimento fixo Configuração do trocador Propriedades do fluido Fatores de incrustação Comprimento direito fixo Quedas de pressão Figura 911 O programa de classificação Baseado em Bell KJTrocadores de Calor Fundamentos TérmicoHidráulicos e Projeto Taylor e Francis Washington DC 1981 Trocadores de calor casco e tubo 387 é o comprimento do trocador de calor necessário para satisfazer a carga térmica fixa do trocador Em ambos os casos são calculadas as quedas de pressão para ambas as correntes no trocador de calor As correlações para transferência de calor e queda de pressão são necessárias em formas quantitativas que podem estar disponíveis a partir de análises teóricas ou de estudos experimentais As correlações para o coeficiente de transferência de calor do lado do tubo e os cálculos de queda de pressão para escoamento monofásico são dadas nos Capítulos 3 e 4 respectivamente As correlações para a transferência de calor em escoamento bifásico são discutidas no Capítulo 8 As correlações mais envolvidas são aquelas para a transferência de calor e a queda de pressão na corrente do lado do casco que serão discutidas nas seções seguintes Se a saída da análise de classificação não for aceitável uma nova modificação geométrica deve ser feita Se por exemplo o trocador de calor não puder fornecer a quantidade de calor que deve ser transferida devese encontrar uma maneira de aumentar o coeficiente de transferência de calor ou aumentar a área do trocador Para aumentar o coeficiente de transferência de calor do lado do tubo podese aumentar a velocidade do lado do tubo então devese aumentar o número de passagens do tubo Podese diminuir o espaçamento do defletor ou diminuir o corte do defletor para aumentar o coeficiente de transferência de calor do lado do casco Para aumentar a área podese aumentar o comprimento do trocador de calor ou aumentar o diâmetro do casco podese também ir para vários shells em série Se a queda de pressão no lado do tubo for maior que a queda de pressão permitida o número de passagens do tubo pode ser diminuído ou o diâmetro do tubo pode ser aumentado o que pode diminuir o comprimento do tubo e aumentar o diâmetro do invólucro e o número de tubos Se a queda de pressão do lado do casco for maior que a queda de pressão permitida então o espaçamento do defletor o passo do tubo e o corte do defletor podem ser aumentados ou podese alterar o tipo de defletores 94 Transferência de calor do lado do casco e queda de pressão A previsão do coeficiente global de transferência de calor requer o cálculo dos coeficientes de transferência de calor do lado do tubo e do lado do casco a partir das correlações disponíveis Para tubos em um trocador casco e tubo as correlações apresentadas nos Capítulos 3 e 8 ou da literatura disponível podem ser aplicadas dependendo das condições de fluxo como foi feito para o trocador de tubo duplo A análise do lado do shell descrita abaixo é chamada de método Kern8 941 Coeficiente de transferência de calor do lado do casco O coeficiente de transferência de calor fora dos feixes de tubos é referido como o coeficiente de transferência de calor do lado do casco Quando o feixe tubular emprega defletores 388 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição o coeficiente de transferência de calor é maior que o coeficiente para condições de fluxo não perturbadas ao longo do eixo de tubos sem defletores Se não houver defletores o fluxo será ao longo do trocador de calor dentro do casco Então o coeficiente de transferência de calor pode ser baseado no diâmetro equivalenteDe como é feito em um trocador de calor de tubo duplo e as correlações do Capítulo 3 são aplicáveis Para trocadores de calor com defletores os coeficientes de transferência de calor mais altos resultam do aumento da turbulência Em um trocador de calor de casco e tubo com defletor a velocidade do fluido flutua por causa da área constrita entre os tubos adjacentes ao longo do feixe As correlações obtidas para fluxo em tubos não são aplicáveis para fluxo sobre feixes tubulares com defletores segmentares McAdams3sugeriu as seguintes correlações para o coeficiente de transferência de calor do lado do casco hoDe k DG µ 0 c 036 e s55 pµ 13 µ µW b 014 k GsDe1106 µ para 2103Rés 911 Ondehoé o coeficiente de transferência de calor do lado da cascaDeé o diâmetro equivalente no lado da casca eGsé a velocidade de massa do lado da casca As propriedades são avaliadas na temperatura média do fluido na casca Na correlação acima o diâmetro equivalenteDe é calculado ao longo em vez de transversalmente ao longo dos eixos da casca O diâmetro equivalente do invólucro é considerado como quatro vezes a área de fluxo líquido como layout na folha de tubo para qualquer layout de passo dividido pelo perímetro molhado 4perímetro molhado da área de fluxo livre De 912 Por exemplo a Figura 912 mostra um layout de passo quadrado e triangular Para cada layout de campo a Equação 912 se aplica Para o passo quadrado o perímetro éter é a circunferência de um círculo e a área é um quadrado do tamanho do passo P2 T menos a área de um círculo a seção hachurada do do Fluxo Fluxo C pT C pT Figura 912 Layouts de tubo de passo quadrado e triangular Trocadores de calor casco e tubo 389 Assim podese escrever o seguinte para o passo quadrado 4P2 De T πd2o4 πdo 913 e para o passo triangular P2 3 4 T πd2 o 4 πdo2 8 De 914 Ondedoé o diâmetro externo do tubo Não há área de fluxo livre no lado do casco pela qual a velocidade de massa do lado do cascoGs pode ser calculado Por isso valores fictícios deGspode ser definida com base na área de fluxo cruzado do feixe na linha de tubos hipotética que possui a área de fluxo máxima correspondente ao centro do invólucro As variáveis que afetam a velocidade são o diâmetro da cascaDs a depuraçãoC entre tubos adjacentes o tamanho do passoPT e o espaçamento do defletor B A largura da área de fluxo nos tubos localizados no centro da casca é DsPT Ce o comprimento da área de fluxo é tomado como o espaçamento do defletorB Portanto a área de fluxo cruzado do feixeUMAs no centro da casca está DsCB PT UMAs 915 OndeDsé o diâmetro interno da casca Então a velocidade de massa do lado da casca é encontrada com m UMAs Gs 916 942 Queda de pressão do lado do casco A queda de pressão do lado do casco depende do número de tubos que o fluido passa através do feixe de tubos entre os defletores bem como o comprimento de cada cruzamento Se o comprimento de um feixe é dividido por quatro defletores por exemplo todo o fluido percorre o feixe cinco vezes Uma correlação foi obtida usando o produto da distância através do feixe tomado como o diâmetro interno da cascaDs e o número de vezes que o pacote é cruzado O diâmetro equivalente usado para calcular a queda de pressão é o mesmo que para a transferência de calor A queda de pressão no lado do casco é calculada pela seguinte expressão8 f G2 sNb1Ds ps 917 2ρDeφs 390 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição onde ϕs μbμW014NbLIBRA 1 é o número de defletores eNb1é o número de vezes que o fluido de casca passa pelo feixe tubular O fator de atritof pois a casca é calculada a partir de fexp0576 019lnRés 918 Onde GsDe1106 µ 400 Rés A correlação foi testada com base em dados obtidos em trocadores reais O coeficiente de atrito também leva em consideração as perdas de entrada e saída 943 Queda de pressão do lado do tubo A queda de pressão do lado do tubo pode ser calculada conhecendo o número de passagens do tuboNp e o comprimentoeu do trocador de calor A queda de pressão para o fluido do lado do tubo é dada pela Equação 417 LN deu 2 p4f p vocêm 2 t ρ 919 ou LN deu pt4f p G2 2ρ t 920 A mudança de direção nos passes introduz uma queda de pressão adicional Δpr devido a expansões e contrações repentinas que o fluido do tubo experimenta durante um retorno o que é responsável por permitir quatro cabeças de velocidade por passagem8 ρvocê2 Np 2 pr4 m 921 A queda de pressão total do lado do tubo tornase ppara um LNp4 deu ρvocê2 2 m tl 4f N p 922 Exemplo 92 O Exemplo 91 envolveu estimar o tamanho da unidade Usando a estimativaDseNt uma seleção deve ser feita na Tabela 93 A seleção Trocadores de calor casco e tubo 391 depende do número mais próximo de tubos na tabela que excedem Ntda análise preliminar Ao selecionar um diâmetro de casco de 1525 pol de acordo com os padrões TEMA da Tabela 93 com 124 tubos para um trocador de calor casco e tubo 2P reclassifique este trocador de calor para as especificações de processo fornecidas usando o método Kern Observe que a carga térmica é fixa portanto o comprimento do trocador de calor e as quedas de pressão para ambos os fluxos devem ser calculados Solução O trocador de calor casco e tubo selecionado para esta finalidade tem os seguintes parâmetros geométricos Diâmetro interno do casco Número de tubos Diâmetro do tubo Material do tubo Espaçamento do defletor Tamanho do campo Número de passagens do tubo DS15 14 pol039 m Nt124 OD 19 mm DI 16 mm k60 Wm2K B02 m defletor cortado 25 PT00254m Np2 O serviço térmico é fixado com a temperatura de saída assumida de 40C As propriedades do fluido do lado do casco podem ser tomadas em 67 532 2 Tb 60C333K do Apêndice B Tabela B2 ρ 9832 kgm3 cp4184 JkgK µ 467104Nsm2 k0652 WmK Pr 300 Propriedades da água do lado do tubo a 285C 300 K do Apêndice B Tabela B2 são ρ 9968 kgm3 cp4179 JkgK µ 82104Nsm2 k0610 WmK Pr 565 392 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição As especificações são Comprimento máximo do tuboeumáximo5m Queda de pressão máxima no lado do casco ΔPs5psi hoDe k DG µ 0 cpµ 13 s55 036 e µ014 b k µW para 2103Rés106 Para um layout de tubo de passo quadrado 2 π 0 1924 4PT πdo 2 πdo2 4 4 00 5 2 4 π0019 0 D 00242m e CPTdo00254 0019 00064m DsCB PT 039m00064m02 m 00254m UMAs 00197m2 m UMAs 50000 kgh 1h 3600s 705k Gs g sm2 00197 m2 GD µ 705kgsm2 00242m 467104Nsm2 Ré se s 36534 1 Tc1 2 Tc2 2 Th1 Th2 2 1 17 40 2 2 67 53 2 425C T W 4 eTc1 17CTh1 67CTc2 40C eTh2 53C Da Tabela B2 no Apêndice B na temperatura aproximada da parede de 317 K µW604104Nsm2 hoDe k 00242m705 kgsm055 467104Nsm2 2 4184 JkgK46710 0652 WmK 4 13 036 46710 014 604104 4 16188 161880652 00242 ho 43613 Wm2K Trocadores de calor casco e tubo 393 Para o coeficiente de transferência de calor do lado do tubo πd2 4 N t 2 π0016 m 4 2 UMAtp eu 124 2 1246102m2 mt 30000 kgh 1 hora vocêm ρtUMAtp 9968 kgm31246102m2 3600 s 067 ms ρvocêmdeu µ 9968 kgm3067 ms0016m 82104Nsm2 Ré 130499 DesdeRé104 o escoamento é turbulento Usando a correlação de Gnielinski f2Ré1000Pr 1 127f2 Nãob 12Pr23 1 f158 lnRé328 f000731 2158 ln1304993282 00037130499 1000565 1 12700037 Nãob 9406 1256523 1 Nu k deu h b 9406061 WmK 0016m eu 35861 Wm2K Para calcular o coeficiente global de transferência de calor 1 doln 2k vocêf d dh d Rfi dd o o o eu 1 ho R para ii deu 1 0019ln00190016 260 0019 001635861 00190000176 0016 1 43613 0000176 10282 Wm2K 1 vocêc do deuheu dlndd o o eu 1 2k ho 1 0019 0016 0019ln00190016 260 1 43613 35861 17017 Wm2K 394 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Para determinar a queda de pressão do lado do casco f G2N 2ρDeφs 1Ds p s b s fexp0576 019lnRés exp0576 019ln365340242 µ µW 014 467104 604104 014 φ b s 09646 eu B 5 Nb 1 1 24 02 0242705224 1039 ps 2 98320024209646 25548 Puma 37 psi Como 37 50 a queda de pressão do lado do casco é aceitável Para o comprimento do tubo Qmcp Tc Tc 833kgs4184JkgK 40 17K 8016 kW c 2 1 Q vocêdoTm UMAdo TT2 lnT1T2 Tfilmecf 1 67 4053 17 ln67 4053 17313 mil oFfator pode ser estimado como 095 da Figura 27 assim TmFTfilmecf095313298K 801600 W UMAdo10282 Wm2K29 8K 262 m2 UMAo πdoLNt UMAo dN 262 m2 eu π o t π0019 m 124 354 m Isto é arredondado para 4 m Como 4 m 5 m o comprimento do trocador de calor é aceitável Para calcular a queda de pressão do lado do tubo pt 4f LN deu p ρvocê2 2 4N m p pt 40000731 42 0016 9968 2 0672 42 211695 Pa 0307 ps eu Trocadores de calor casco e tubo 395 O trocador de calor atende aos requisitos de queda de pressão no entanto o SO para este projeto é de 66 o que é inaceitável O design pode ser melhorado otimizado com várias iterações como escolher líquidos menos incrustantes ou melhorar o coeficiente de transferência de calor 944 Método Belldelaware O cálculo dado na Seção 94 para transferência de calor do lado do casco e análise de queda de pressão método de Kern é um método simplificado A análise do lado da casca não é tão direta quanto a análise do lado do tubo porque o fluxo da casca é complexo combinando fluxo cruzado e fluxo da janela defletora bem como fluxos de desvio da casca do defletor e da casca do feixe e padrões de fluxo complexos como mostrado nas Figuras 913 e 91456911 Conforme indicado na Figura 913 cinco fluxos diferentes são identificados O fluxo A está vazando através da folga entre os tubos e o defletor O fluxo B é o fluxo principal no pacote este é o fluxo desejado no lado do casco do trocador A corrente C é a corrente de desvio do feixe que flui ao redor do feixe tubular entre os tubos mais externos do feixe e dentro do invólucro O fluxo E é o fluxo de vazamento do defletor para o casco que flui através da folga entre os defletores e o casco uma UMA C UMA C B C B B1 UMA E b C F C BB B B E Figura 913 a Diagrama que indica os caminhos de vazamento para o fluxo desviando da matriz do tubo através de ambas as folgas do defletor entre a matriz do tubo e o invólucro b Fluxo F para um trocador de dois passes de tubo28 Adaptado de Butterworth DTrocadores de Calor de Fluxo Bifásico Fundamentos e Projetos Térmicos HidráulicosKluwer Holanda 1988 Com permissão Kern DQTransferência de calor do processo McGrawHill Nova York 1950 396 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Penetração área Fita selante Figura 914 Defletores radiais projetados para reduzir a quantidade de fluxo de desvio através do espaço entre o lado da matriz do tubo e o invólucro28Adaptado de Spalding DB e Taborek JManual de Projeto de Trocador de Calor Seção 33 Hemisphere Washington DC 1983 Com permissão diâmetro interno Finalmente a corrente F flui através de qualquer canal dentro do feixe de tubos causado pelo fornecimento de divisores de passagem no coletor do trocador para múltiplas passagens de tubo A Figura 913 é uma representação idealizada dos fluxos Os fluxos mostrados podem se misturar e interagir uns com os outros e uma análise matemática mais completa do fluxo do lado do casco levaria isso em consideração9 O método de BellDelaware leva em consideração os efeitos de vários fluxos de vazamento e desvio no coeficiente de transferência de calor do lado do casco e na queda de pressão O método de BellDelaware é o método mais confiável atualmente para a análise do lado da casca No método de BellDelaware o fluxo B é o principal fluxo essencial As outras correntes reduzem a corrente B e alteram o perfil de temperatura do lado da casca resultando em uma diminuição no coeficiente de transferência de calor Uma breve discussão do método de BellDelaware para o coeficiente de transferência de calor do lado do casco e a análise da queda de pressão é dada nesta seção 9441 Coeficiente de transferência de calor do lado do casco A equação básica para calcular o coeficiente médio de transferência de calor do lado da casca é dada por1112 hohEu iriaJcJeuJbJsJr 923 st r e uma m Fluxo cruzado B yp uma ss Trocadores de calor casco e tubo 397 OndehEu iriaé o coeficiente de transferência de calor ideal para escoamento cruzado puro em um banco de tubos ideal e é calculado a partir de 3 m k2 hEu iriajeucpsUMAs s c psµs µsW s µ 014 s 924 Ondejeué o Colburnjfator para um banco de tubos idealssignifica concha e UMAsé a área de fluxo cruzado na linha central da casca para um fluxo cruzado entre dois defletores Os gráficos estão disponíveis parajeucomo uma função do número de Reynolds do lado da casca RésdmsµsUMAs layout do tubo e tamanho do passo Esses gráficos são mostrados nas Figuras 9159176UMAsé dado pela Equação 915 ou seja o número de Reynolds é baseado no diâmetro externo do tubo e na área de escoamento da seção transversal mínima no diâmetro do casco Nos mesmos gráficos os coeficientes de atrito para bancos de tubos ideais também são fornecidos para os cálculos de queda de pressão Portanto dependendo dos parâmetros de construção do lado do casco os fatores de correção devem ser calculados610 Embora os valores ideais dejeuefeuestão disponíveis em formas gráficas para análise por computador um conjunto de correlações de ajuste de curva é obtido nas seguintes formas611 o 133 uma jeuuma1PTd Ré uma2 s 925 o Onde uma3 1 014Ré uma uma4 s e 133 b fb1PTd eu Reb2 s 926 o Onde b3 1 014Ré b b4 s A Tabela 96 fornece os coeficientes das Equações 925 e 9266 Jcé o fator de correção para corte e espaçamento do defletor Esse fator leva em consideração a transferência de calor na janela e calcula o coeficiente médio geral de transferência de calor para todo o trocador de calor Depende do diâmetro do casco e da distância de corte do defletor da ponta do defletor ao diâmetro interno do casco Para um grande corte defletor este valor pode diminuir para um valor de 053 398 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição 10 8 6 10 8 6 4 4 FeiW 2 2 PT 125 d 10 8 6 10 8 6 133 15 4 4 2 2 PT 125 d 01 8 6 01 8 6 133 15 4 4 2 2 001 8 6 001 8 6 4 4 2 2 Res 0001 0001 8 105 1 2 4 6 8 10 2 4 6 8 102 2 4 Lado da conchaRes 6 8 103 2 4 6 8 104 2 4 6 Figura 915 Banco de tubos idealjeuefeufatores para layout escalonado de 30C De Spalding DB e Taborek J Manual de Projeto de Trocador de Calor Seção 33 Hemisphere Washington DC 1983 Com permissão e é igual a 10 para um trocador de calor sem tubos na janela Pode aumentar para um valor tão alto quanto 115 para janelas pequenas com alta velocidade de janela Jeué o fator de correlação para os efeitos de vazamento do defletor incluindo vazamento do tubo para o defletor e do casco para o defletor fluxos A e E Se os defletores forem colocados muito próximos a fração do fluxo nos fluxos de vazamento aumenta em comparação com o fluxo cruzadoJeué uma função da razão da área de vazamento total por defletor para a área de fluxo cruzado entre defletores adjacentes e também da razão da área de vazamento do casco para o defletor para a área de vazamento do tubo para o defletor Um valor típico deJeuestá na faixa de 07 e 08 Jbé o fator de correção para efeitos de desvio de feixe devido à folga entre os tubos mais externos e os divisores de casca e passagem correntes C e F Para uma folga relativamente pequena entre os tubos mais externos e o invólucro para construção de chapas de tubos fixosJb090 Para uma cabeça flutuante pull through é necessária uma folga maior eJb07 As tiras de vedação ver Figura 914 podem aumentar o valor deJb Jsé o fator de correção para espaçamento variável do defletor na entrada e na saída Por causa do espaçamento do bocal na entrada e saída e as mudanças no local peu ρ feu s 2 φ 014 2 GN s s c h j Eu iria Pr23 φ 014 euC s s psGs fFator de atrito j Fator Trocadores de calor casco e tubo 399 10 8 6 10 8 6 4 4 FeiW 2 2 10 8 6 10 8 6 PT d 125 4 4 133 15 2 P 2 T 125 d 133 01 8 6 15 01 8 6 4 4 2 2 001 8 6 001 8 6 4 4 2 2 Res 0001 0001 8 105 1 2 4 6 8 10 2 4 6 8 102 2 4 Lado da conchaRes 6 8 103 2 4 6 8 104 2 4 6 Figura 916 Banco de tubos idealjeuefeufatores para layout escalonado de 45C De Spalding DB e Taborek J Manual de Projeto de Trocador de Calor Seção 33 Hemisphere Washington DC 1983 Com permissão velocidades o coeficiente médio de transferência de calor no lado da casca mudará oJsvalor será geralmente entre 085 e 100Jrse aplica se o número de Reynolds do lado da cascaRés é menor que 100 SeRés20 é totalmente eficaz Este fator é igual a 100 seRés100 Os efeitos combinados de todos esses fatores de correção para um trocador de calor de casco e tubo razoavelmente bem projetado é da ordem de 060512 Exemplo 93 Água destilada com uma vazão de 50 kgs entra em um trocador de calor de casco e tubo com defletor a 32C e sai a 25C Calor será transferido para 150 kgs de água bruta proveniente de uma fonte a 20C Projete um trocador de calor para esta finalidade É preferível uma única passagem de casco e tubo único O diâmetro do tubo é de 34 19 mm de diâmetro externo com 16 mm de diâmetro interno e os tubos são dispostos em um passo quadrado de 1 pol Use o espaçamento do defletor de 05 m Um comprimento máximo do trocador de calor de 8 m é necessário devido a limitações de espaço O material do tubo é de liga de Cr 05 k423 Wm K Assuma uma resistência total à incrustação de 0000176 m2 KW Observe que a superfície sobre peu ρ f s φ 014 eu 2 G2N s s c h jeu Eu iria Pr2 3 014 C G s φs ps s fFator de atrito j Fator 400 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição 10 8 6 10 8 6 4 4 FloW 2 2 10 8 6 P 10 8 6 T125 d 4 4 133 15 2 2 01 8 6 01 8 6 PT d 125 133 4 15 4 2 2 001 8 6 001 8 6 4 4 2 2 Res 0001 0001 8 105 1 2 4 6 8 10 2 4 6 8 102 2 4 Lado da conchaRes 6 8 103 2 4 6 8 104 2 4 6 Figura 917 Banco de tubos idealjeuefeufatores para layout em linha de 90C De Spalding DB e Taborek JManual de Projeto de Trocador de Calor Seção 33 Hemisphere Washington DC 1983 Com permissão projeto não deve exceder 30 A velocidade máxima de fluxo através do tubo também é sugerida como sendo de 2 ms para evitar a erosão Faça uma análise térmica do trocador de calor Solução As propriedades do fluido do lado do tubo a 20C do Apêndice B são cp4182 JkgK k0598 Wm2K Pr 701 ρ 9982 kgm3 µ 1002104Nsm2 As propriedades do fluido do lado do casco à temperatura média do apêndice são peu ρ f s 2 φ 014 eu 2 GN s s c h j Eu iria 14 eu Pr2 3φ 0 C G s s ps s fFator de atrito j Fator Trocadores de calor casco e tubo 401 TABELA 96 Coeficientes de Correlação parajeuefeuEquações 925 e 926 Esquema Ângulo Reynolds Número uma1 uma2 0388 1450 0519 uma3 uma4 b1 b2 b3 700 0500 b4 30 105104 104103 103102 10210 10 105104 104103 103102 10210 10 105104 104103 103102 10210 10 0321 0321 0593 1360 1400 0370 0370 0730 0498 1550 0370 0107 0408 0900 0970 0372 0486 4570 45100 48000 0303 0333 3500 26200 32h00 0391 00815 60900 321000 350000 0123 0152 0476 0973 1000 0126 0136 0476 0913 1000 0148 0022 0602 0963 1000 0388 0477 0657 0667 45 0396 1930 0500 659 0520 0396 0500 0656 0667 90 0395 1187 0370 630 0378 0266 0460 0631 0667 cp4179 JkgK k0612 Wm2K Pr 575 ρ 9959 kgm3 µ 815104Nsm2 Para resolver o problema primeiro estime o número de tubos mt ρvocêmUMAcNt m Nt 4mt ρπd2 4150 37388 ρvocêmUMAc Nt374 euvocêm 9982 π 001622 A área de fluxo através dos tubos é 2 πd2 4 π0016 4 UMAt eu Nt 374 0075 m2 402 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Agora estime o diâmetro da casca da Equação 99 NtCLRP 2d2 D2 o s 0785CTP CTP093 CL10 254 19102 0785093 102 2 3741 0019 2 12 Ds 575 milímetros que é arredondado para 580 mm Os parâmetros de construção selecionados e estimados podem ser resumidos como Diâmetro interno da casca Número de tubos Diâmetro externo do tubo Diâmetro interno do tubo Passo do tubo quadrado Espaçamento do defletor DS058 m Nt374 do19 milímetros deu16 milímetros PT00254 m B05 mcorte de 25 Coeficiente de transferência de calor do lado da casca a Método KernEstime a área de fluxo cruzado no diâmetro da casca UMAsDsNTC doB Onde Ds PT 580 254 NTC 2283 UMAs058 2283001905 0073 m2 O diâmetro equivalente pode ser calculado a partir da Equação 913 4 25410 πd 4 2 2 π0019 4 2 4 P2 o 2 T De 0024 m πdo Calcule o número de Reynolds π 0019 msDe UMAµ 50 0 073 0024 8 15104 Ré 2016976 s Trocadores de calor casco e tubo 403 Assumindo propriedades constantes o coeficiente de transferência de calor pode ser estimado a partir da Equação 911 036k De 1 3 03606122016976 0024 1 ho Ré055Pr 055557 3 37936 Wm2K b Método TaborekConsidere o seguinte Taborek fornece a seguinte correlação para o coeficiente de transferência de calor do lado da casca para fluxo turbulento7 Não02Ré06Pr04 s s onde o número de Reynolds é baseado no diâmetro externo do tubo e na velocidade na área de fluxo cruzado no diâmetro do casco ρud µ 0019 Rés s o msdo UMAµ 50 0073 815104 159678 s Não0215967806557 04 1322 Nãok do 13220612 0019 hs 425909 Wm2K c Método BellDelawareO coeficiente de transferência de calor do lado do casco é dado pela Equação 924 23 ms ks µs µsW 0 14 hEu iria jeucpsUMA s c psµs jeupode ser obtido da Figura 917 ou da correlação da Equação 925 com a Tabela 96 jeu037Rés 0395 Onde dom µsUMAs Rés 159678 jeu037159678 0395 00081 50 0073 4179815104 0612 23 hEu iria000814179 hEu iria73828 Wm2K 404 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Assumese que as propriedades são constantes No método BellDelaware os fatores de correção devido ao desvio e fluxo de vazamento são fornecidos em formas gráficas dependendo das características construtivas do trocador de calor Vamos supor que o efeito combinado de todos esses fatores de correção seja de 60 ho06073828 44297 Wm2K Portanto os três métodos acima demonstraram resultados comparáveis para estimar o coeficiente de transferência de calor do lado do casco ρvocêmdeu µ 998220016 1002104 Ret 318786 O coeficiente de transferência de calor do lado do tuboheu pode ser calculado a partir da correlação PetukhovKirillov conforme fornecida pela Equação 329 f2Re Prb Não b b 107 127f212Pr23b 1 f158lnRe 328 2158 ln318786 328 2 00058 b f2 00029 00029318786701 Nãob 22416 107 127000291270123 1 k heuNãob 22416 0598 0016 837798 Wm2K deu O coeficiente global de transferência de calor para a superfície limpa é 1 vocêc 1 ho 1do heudeu rolnrr k o eu 1 4375 1 0019 95103ln1916 423 8378 0016 vocêc24455 Wm2K Trocadores de calor casco e tubo 405 e para a superfície suja é 1 vocêf 1 vocêc 1 24455 Répés 0000176 vocêf17097 Wm2K mcp T mc T Tc2 h h1 pc h2 Tc1 50417932 25 1504182 Tc2 20 2233C LMTD 32 22325 20 709C 32 223 ln25 20 Qmcp Th1 T50417932 25 h h2 Q1462650 W QvocêfUMAfTm 1462650 17097709 UMAf 12066 m2 1462650 24455709 UMAc 8436 m2 O design de superfície é UMAf UMAc vocêc vocêf 2445 5 17097 SO 14343 que é o fator de segurança limpo vs incrustação O design sobre a superfície não deve ser superior a cerca de 30 Assumindo 20 de superfície sobre o projeto a programação de limpeza deve ser organizada de acordo vocêc vocêf 120 vocêc 24455 vocêf 120 120 20379 Wm2K 406 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição A resistência total correspondente pode ser calculada a partir da Equação 62 1 vocêf 1 vocêc Rpés Rpés00000817 m2KW Para 20 sobre o projeto de superfície a área de superfície do trocador tornase UMAf120UMAc UMAf1208436 1012 m2 O comprimento do trocador de calor é calculado da seguinte forma UMAf Ntπdo 1012 374 π 0019 eu 454 m que é arredondado paraeu5m O diâmetro da casca pode ser recalculado a partir da Equação 910 CL CTP UMAf RP2 12 do D0637 s eu 1 093 101 2 25419219103 12 Ds0637 0548 m 5 que é arredondado paraDs060m Uma análise mais aprofundada é sugerida Agora temos um novo trocador de calor a ser reclassificado Depois de calcularDs compare com a Tabela 93 para contagem de tubos e diâmetro do invólucro Tabule novos parâmetros de construção Ds060m Nt374 eu5 m do19 milímetros deu16 milímetros PT00254 m B050m Trocadores de calor casco e tubo 407 Calcule as quedas de pressão no lado do casco e no lado do tubo usando as Equações 917 e 922 e compare com os resultados do Exemplo 94 9442 Queda de pressão do lado do casco Para um trocador de calor do tipo casco e tubo com fluxos de derivação e vazamento a queda de pressão total de bocal a bocal determinada pelo método de BellDelaware é calculada como a soma dos três componentes a seguir Figura 918ac 1 A queda de pressão na seção de fluxo cruzado interior ponta do defletor a ponta do defletor a queda de pressão combinada de toda a seção de fluxo cruzado interior é61112 pcpbiNb1ReuRb 927 uma b c Figura 918 a Entrada b interna e c janela 408 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição onde Δpbié a queda de pressão em um banco de tubos ideal equivalente em um compartimento do defletor de espaçamento central do defletor eReué o fator de correção para efeitos de vazamento do defletor fluxos A e E Tipicamente Reu04 a 05Rbé o fator de correção para o fluxo de desvio fluxos C e F TipicamenteRb05 a 08 dependendo do tipo de construção e número de tiras de vedaçãoNbé o número de defletores 2 A queda de pressão na janela é afetada pelo vazamento mas não pelo desvio A queda de pressão combinada em todas as janelas é calculada a partir pWpwiNbReu 928 onde Δpwié a queda de pressão em um banco de tubos ideal equivalente na seção da janela 3 A queda de pressão nas seções de entrada e saída é afetada pelo desvio mas não pelo vazamento Além disso há um efeito devido ao espaçamento variável do defletor A queda de pressão combinada para a seção de entrada e saída é dada por NN Nc p c cW e2pbi RbRs 929 OndeNcé o número de linhas de tubos cruzadas durante o fluxo através de um fluxo cruzado no trocador eNcwé o número de linhas de tubos cruzadas em cada janela defletoraRsé o fator de correção para a seção de entrada e saída com espaçamento de defletores diferente das seções internas devido à existência dos bicos de entrada e saída Os fatores de correção estão disponíveis em formas gráficas na literatura 7101213 A queda de pressão total sobre o lado do casco do trocador de calor é pspcpWpe 930 pNb1pbiRbNbpwiReu2pbi N Nc s 1 cwRbRs 931 As quedas de pressão nos bicos devem ser calculadas separadamente e adicionadas à queda de pressão total Na Equação 931 Δpbié calculado a partir G2 swµ 2ρsµs 014 pbi4f s eu 932 Trocadores de calor casco e tubo 409 Os coeficientes de atrito são dados nas Figuras 915917 e pela Equação 926 Para uma seção de janela defletora ideal Δpbié calculado a partir m2 s2 06N p cw wi 933 2ρsUMAsUMAW E seRés100 e de µsms UMAsUMAW Ncw ρ ρ do B D2 ms UMAsUMAWρs pwi 26 934 W E seRés100 Cálculo do diâmetro equivalente da janelaDW a área para fluxo através da janelaUMAW e os fatores de correção são dados na literatura71112 O número de linhas de tubos cruzadas em uma seção de fluxo cruzadoNc pode ser estimado a partir de deu1 eu 2cD Nc s 935 Pp Ppé definido na Figura 919 e pode ser obtido na Tabela 97 eeucé a distância de corte do defletor da ponta do defletor até o interior do casco O número de linhas de fluxo cruzado efetivas em cada janelaNcw pode ser estimado a partir de 08euc Pp Ncw 936 Pn Fluxo p Pp Figura 919 O tubo se inclina paralelo e normal ao fluxo disposição triangular equilátero mostrada 410 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição TABELA 97 Passos do tubo paralelos e normais ao fluxo Tubo OD do dentro Passo do tubo alfinete pp dentro pn dentro Esquema 58 0625 34 0750 34 0750 1316 0812 1516 0938 1000 0704 0814 1000 0406 0469 1000 34 0750 34 0750 1 1 1 1000 1000 1 14 1 14 1 14 0707 0866 1250 0884 1082 0707 0500 1250 0884 0625 1250 1250 1250 Fonte De Bell KJTrocadores de Calor Fundamentos e Projetos Térmico Hidráulicos 1981 Com permissão O número de defletoresNb pode ser calculado a partir de euB Nb SeBeuBoB a Equação 937 se reduz a euBo1 B 937 eu Nb B 1 938 A queda de pressão total do lado do casco de um trocador casco e tubo típico é da ordem de 20 a 30 da queda de pressão que seria calculada sem levar em conta os vazamentos do defletor e os efeitos do desvio do feixe de tubos11 Exemplo 94 Suponha que uma análise preliminar de um trocador de calor seja realizada usando o método de Kern como no Exemplo 93 ou assuma que tal trocador de calor esteja disponível e os parâmetros de projeto são os dados abaixo Ds058 m número de tubosNt374 o comprimento do trocador de calor eu50 o diâmetro do tubo é de 34 pol 19 mm de diâmetro externo com 16 mm de diâmetro interno e os tubos são dispostos em um passo quadrado de 1 pol O espaçamento do defletorB05 m e o corte do defletor é de 25 do diâmetro interno da cascaDs O espaçamento do defletor de entrada e saída e o espaçamento do defletor central são iguais As especificações de vazão no lado do casco e nos tubos são especificadas no Exemplo 93 A vazão mássica do lado do casco é de 50 kgs A queda de pressão admissível no lado do casco é de 15 kPa A área de fluxo através da janela é calculada para serUMAW0076 m2 Calcule a queda de pressão do lado do casco usando o método de BellDelaware e indique se este trocador de calor é adequado Trocadores de calor casco e tubo 411 Solução Agora temos que avaliar o trocador de calor usando o método de Bell Delaware e assumindoDs058mNt374eu5mdo19 milímetros deu16mB 050 m um corte defletor de 25PT00254meuc025Ds os tubos são dispostos em passo quadrado e a área das janelas defletoras UMAW0076 m2 A área de fluxo cruzado estimada no diâmetro da casca do Exemplo 93 é UMAs0073 m2 O número de linhas cruzadas em uma seção de fluxo cruzadoNc pode ser calculado a partir da Equação 935 euc Ds 025Ds025 Ds Da Tabela 97 Pp1 pol 00254 m Ds12 eu D c N s c Pp Nc058120250025412 O número de Reynolds é baseado no diâmetro externo do tubo e na velocidade na área de fluxo cruzado no diâmetro do casco Observe que a água destilada circula no lado do casco ρvocêsdo µ médicoo UMAsµ Res que foi calculado no Exemplo 93 como Rés15968 Agora calcule o coeficiente de atrito de Fanning que é dado pela Equação 926 133 b feubP b2 1To dRé s DesdePTd0133 esta equação pode ser simplificada para feub1Rés b2 412 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Da Tabela 96b1 0391b2 0148 portanto o coeficiente de atrito feu039115968 0148 0093 Se não houver vazamento ou desvio a queda de pressão em uma seção de fluxo cruzado pode ser calculada a partir da Equação 932 G2µ 2ρ µs pbi4f s sW 014 eu N s c ms UMAs 50 0073 Gs 6849 kgm2s 68492 29959 pbi400933 12 1055 Pa AssumindoRb060 eReu04 a queda de pressão combinada de toda a seção de fluxo cruzado interior pode ser calculada a partir da Equação 927 pcpbiNb1ReuRb pc11379 106004 218 kPa OndeNbé o número de defletores eu Nb 1B Para uma seção de janela defletora ideal Δpwié calculado a partir da Equação 933 O número de linhas de fluxo cruzado efetivas em cada janelaNcw pode ser estimado a partir da Equação 936 08euc Pp Ncw OndePpé dado na Tabela 97 como 00254 meucé a distância de corte do defletor da ponta do defletor ao diâmetro interno da casca euc025Ds0250580 0145m 080145 00254 Ncw 465 A área de fluxo através das janelas defletoras é UMAWUMAwgUMApeso Trocadores de calor casco e tubo 413 OndeUMAwgé a área bruta da janela eUMApesoé a área da janela ocupada pelos tubos As expressões para calcularUMAwgeUMApesosão dadas por Taborek6 e Bell1112Aqui é dado comoUMAW0076 m2 então da Equação 933 m2 s2 06cw N pwi 2ρUMAsUMAW 5022 065 2995900730076 pwi 1131 Pa A queda de pressão total em todas as janelas é pWpwiNbReu pW1131904 4072 Pa A queda de pressão total sobre o trocador de calor no lado do casco pode ser calculada a partir da Equação 931 Ncw c psN b1 pbiRbNb pwiReu 2pbi 1 RR N b s O espaçamento do defletor na entrada saída e regiões centrais são iguais entãoRs1 5 12 ps9 11105060 9113104 21105 1 060 807 kPa que é menor que a queda de pressão permitida então o trocador de calor é adequado A queda de pressão do lado do casco poderia ser superestimada se fosse calculada sem vazamento do defletor e sem efeitos de derivação do feixe tubular Agora calcule a queda de pressão do lado do casco usando o método de Kern que não leva em consideração o vazamento do defletor e os efeitos de desvio A queda de pressão do lado do casco pode ser calculada a partir da Equação 917 f G2 sNb1Ds ps 2ρDeφs OndeDeé o diâmetro equivalente que é calculado a partir da Equação 913 e é dado no Exemplo 93 como De0024 m O coeficiente de atrito é calculado a partir da Equação 918 onde m Rés UMA s De UMAs De µ Gs s 414 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição que é dado no Exemplo 93 como Rés20170 Então fexp0576 019lnRés f0271 Supondo que ϕs1 e inserindo os valores calculados na Equação 917 Δp stornase Nb D 1 50 9 1058 00732995900241 psf Gs 2 s 2 0271 2ρDφ e s 15400 Pa 154 kPa A queda de pressão do lado do casco obtida pelo método de BellDelaware é cerca de 48 menor do que a obtida pelo método de Kern Exemplo 95 Água destilada com vazão mássica de 80000 kgh entra no lado do casco de um trocador a 35C e sai a 25C O calor será transferido para 140000 kgh de água bruta proveniente de uma fonte a 20C Os defletores serão espaçados de 12 polegadas É preferível uma única passagem de casco e tubo único Os tubos são 18 tubos BWG com diâmetro externo de 1 pol OD 00254 m ID 00229 m e são dispostos em passo quadrado O diâmetro do casco é de 1525 pol Um tamanho de passo de 125 pol e uma folga de 025 pol são selecionados Calcule o comprimento do trocador de calor e a queda de pressão para cada fluxo Se a queda de pressão máxima permitida no lado do casco for de 200 kPa este trocador de calor será adequado Solução As especificações do lado do tubo são Diâmetro externo Diâmetro interno Área de fluxo espessura da parede do1 pol 00254 m deu0902 pol 00229108 m UMA c0639 pol2 000041226m2 tW0049 pol 00012446 m Calcule a taxa de fluxo de massa a partir do enunciado do problema por 14000 kgh 3600 sh mt 3889 kgs Trocadores de calor casco e tubo 415 As especificações do lado do casco são Tamanho do campo Liberação Espaçamento do defletor Diâmetro do casco PT125 pol 003175 m C 025 pol 000635 m B12 pol 03048 m Ds1525 pol 038735 m Calcule a taxa de fluxo de massa a partir do enunciado do problema por 80000 kgh 3600 sh ms 2222 kgs Para um trocador de calor casco e tubo de passagem única com diâmetro de 1525 pol da Tabela 93 o número de tubosNt em um passo quadrado de 125 pol com um diâmetro de tubo externo de 1 pol é de 81 tubos As propriedades do fluido do lado do casco a uma temperatura média de 30C do Apêndice B Tabela B2 são cp41785 kJkgK µb 0000797 kgms k0614 WmK ρ 9957 kgm3 Pr543 As propriedades da água a 225C são cp4179 kJkgK µb 000095 kgms k06065 WmK ρ 997 kgm3 Pr655 A diferença de temperatura média é determinada como T1T2 35 2525 20 Tfilmecf 721C T1 T 35 25 ln ln 2 25 20 ThT Tc2 R 1 h2 35 25 2 Tc1 25 20 Tc1 Th1 Tc2 Tc1 25 20 35 20 P 0333 416 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição O fator de correção é consideradoF1 Calcule o coeficiente de transferência de calor do lado da casca por D CB Pt 0387350 006350 3048 003175 UMA s s 002361 m2 ms UMAs 2222 kgs 002361 m2 Gs 941107 kgm2s 4 003175 π 00254 2 π00254 24 4P2 πd24 D t o e 002513 m πdo DeGs µ 002513941107 0000797 Rés 296738 Portanto o fluxo do fluido no lado da casca é turbulento Usando a correlação de McAdam Equação 911 obtemos o número de Nusselt DG055cµ 033 Não036 es b pb µ µW b 014 µ k 002513941107 055 417850000797 033 0000797 014 0000797 0614 000086 036 17939 Assumese que a temperatura da parede do tubo é de 26C e μW000086 kg ms O coeficiente de transferência de calor shellsidveho é então calculado como Nãok De Calcule o coeficiente de transferência de calor do lado do tubo por 179300614 002513 ho 438309 Wm2K π2deu 4 π0 02291 4 2 UMA t 00004122m2 N Dt Número de passes UMA t 8100004122 1 tp 003339 m2 mt 38889 003339 G t 11646 kgm2s UMAtp Gt ρ 11646 997 vocêt 11682 ms vocêtρdeu µ 11682997002291 000095 Rét 280875 Trocadores de calor casco e tubo 417 Portanto o fluxo do fluido no lado do tubo é turbulento Usando a correlação PetukhovKirillov f2RePr Não 107 127f212Pr23 1 Ondef 158 litroRé3282 158ln 280875 3282 00060 00062280875655 Não 19645 107 127000621265523 1 O coeficiente de transferência de calor do lado do tuboheu é então encontrado como Nãok deu 1964506065 002291 heu 52005 Wm2K O coeficiente global de transferência de calorvocêo é determinado pela seguinte equação 1 vocêo do deuheu dlnddeu1 o o 2k ho 1 00254ln00254002291 254 00254 1 438309 00229152005 214748 Wm2K Para encontrar a área e consequentemente o comprimento do trocador de calor a taxa de transferência de calor necessária deve primeiro ser determinada Essa taxa de transferência de calor é determinada por QmscpThTh22224178535 259285 kW 1 2 A taxa de transferência de calor também é definida como QvocêoAFTfilmecf Portanto a área pode ser determinada por Q 92851000 214748172135 UMA 5993 m2 vocêoFTfilmecf 418 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição e o comprimento é UMA NtπDo 5977 81 π 00254 eu 928 m A queda de pressão do lado do casco pode ser calculada a partir da Equação 917 f G2N p s b 1 Ds s 2ρDeφs eu B 928 03048 Neu 1 129 fexp0576 019lnRs fexp0576 019ln29673802514 02514941107 29957002513 229 1038735 797 014 ps 52257 Pa 523 kPa 86 ps523 kPa 200 kPa Portanto este trocador de calor é adequado A queda de pressão do lado do tubo pode ser calculada a partir da Equação 922 pt 4f LNp deu ρvocê2 2 4N m p 4000609281 pt 116822 2 4 1 997 002291 9300 Pa 93 kPa A análise acima pode ser repetida usando o método BellDelaware O método de BellDelaware assume que além das especificações de fluxo no lado da casca os dados geométricos do lado da casca devem ser conhecidos ou especificados Com esta informação geométrica todos os parâmetros geométricos restantes necessários nos cálculos do lado da casca podem ser calculados ou estimados pelos métodos fornecidos por Palen e Taborek10e o Exemplo 95 pode ser repetido com o método BellDelaware um projeto de design térmico A aplicação do método complexo de BellDelaware para calcular fatores de correção para a transferência de calor e as quedas de pressão em diferentes seções do lado do casco é fornecida em detalhes por Biniciogullari14para determinadas especificações de processo Trocadores de calor casco e tubo 419 Nomenclatura UMAc UMAf UMAeu UMAo UMAs área de transferência de calor sem incrustação m2 área de transferência de calor com incrustação m2 área de transferência de calor com base na área da superfície interna dos tubos m2 área de transferência de calor com base na área de superfície externa dos tubos m2 área de fluxo cruzado na ou perto da linha central da casca m2 área para fluxo através da janela defletora m2 espaçamento do defletor m espaçamento do defletor na entrada m espaçamento do defletor na saída m folga entre os tubos m calor específico a pressão constante Jkg K diâmetro interno do casco m diâmetro equivalente da janela defletora m diâmetro externo do tubo m diâmetro interno do tubo m fator de correção para LMTD para sistemas sem contrafluxo fator de atrito para fluxo através de um banco de tubos ideal velocidade de massa kgm2 s calor latente de evaporação Jkg coeficiente de transferência de calor do lado do tubo Wm2 K coeficiente de transferência de calor do lado do casco para banco de tubos ideal Wm2 Coeficiente de transferência de calor do lado do casco K para o trocador Wm2 Fator de correção de desvio do pacote K para transferência de calor fator de correção de janela de defletor segmentar para transferência de calor fator de correção de vazamento de defletor para transferência de calor fluxo laminar fator de correção de transferência de calor fator de correção de transferência de calor para espaçamento desigual do defletor final Colbumjfator para um banco de tubos ideal condutividade térmica do fluido do lado do casco Wm K condutividade térmica da parede do tubo W m K comprimento efetivo do tubo do trocador de calor entre as chapas do tubo m distância de corte do defletor da ponta do defletor ao interior do casco vazão mássica do lado do casco vazão mássica do lado do tubo em kgs número de defletores em kgs no trocador UMAW B Beu Bo C Cp Ds DW do deu F feu G hfg heu hEu iria ho Jb Jc Jeu Jr Js jeu ks kW eu euc ms mt Nb Nc número de linhas de tubos cruzadas entre as pontas do defletor de um compartimento do defletor Ncw número de linhas de tubos cruzadas em uma janela defletora 420 Trocadores de calor seleção classificação e projeto térmico terceira edição Nt número total de tubos ou número total de furos na folha de tubo para o pacote de tubos em U Não Número Nusselt tamanho do passo m Número de Prandtl tamanho do passo m dever de calor do trocador de calor W fator de correção de desvio do pacote para queda de pressão Pn Pr PT Q Rb Rf eu resistência à incrustação do lado do tubo referente à superfície interna do tubo m2 KW Rfo resistência à incrustação do lado do casco referente à superfície externa do tubo m 2 KW Rpés incrustação total m2 K W fator de correção das zonas finais do defletor para queda de pressão no lado do casco número de Reynolds temperatura C K temperatura do fluido frio C temperatura do fluido quente K C temperatura da parede K C K Rs Rés T Tc Th TW vocêc coeficiente global de transferência de calor para superfície limpa com base na área externa do tubo Wm2 K vocêdo coeficiente global de transferência de calor para a superfície suja com base na área externa do tubo Wm2 K vocêm Δpbi velocidade média dentro dos tubos ms queda de pressão para um compartimento defletor em fluxo cruzado com base no banco de tubos ideal Pa Δps Δpwi queda de pressão total do lado do casco Pa queda de pressão em uma seção de janela ideal de um trocador segmentado Pa ΔTc ΔTh diferenças de temperatura do terminal frio e quente C K log das diferenças de temperatura média C K diferença de temperatura média efetiva ou verdadeira C viscosidade dinâmica do fluido de revestimento K à temperatura média mPas viscosidade dinâmica do fluido do tubo à temperatura média mPas ΔTfilme ΔTm μs μt ρs ρt densidade do fluido do lado do casco ou do tubo respectivamente à temperatura média de cada fluido kgm3 ϕs fator de correção de viscosidade para fluidos do lado do casco μWμb014