Incrustacoes-Efeitos-Transferencia-de-Calor-Queda-de-Pressao

João Pessoa PB Universidade Federal da Paraíba Centro de Energias Alternativas e Renováveis Departamento de Engenharia de Energias Renováveis Professora Cristiane K F da Silva 2 Apresentação 4 Introdução 41 Incrustações e seus Efeitos sobre a Transferência de Calor e sobre a Queda de Pressão 42 Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 43 Técnicas de Prevenção e Eliminação de Incrustações 3 4Introdução A incrustação é uma consequência sinérgica de fenômenos transientes de transferência de calor massa e momento envolvidos com fluidos e superfícies do trocador A Incrustação é um acúmulo de materiais indesejáveis nas superfícies dos trocadores de calor A incrustação e corrosão representam os efeitos induzidos pela operação de trocadores de calor e devem ser considerados tanto para a concepção de um novo trocador quanto na operação de um trocador existente A Corrosão representa deterioração mecânica de materiais de construção de superfícies de trocadores de calor sob a influência agressiva de escoamentos de fluidos 4 41Incrustações e seus Efeitos sobre a TC e a Queda de Pressão Incrustação térmica significa acumulação de qualquer deposição indesejável de um material termicamente isolante sobre uma superfície de transferência de calor Esta camada sólida proporciona uma resistência térmica adicional ao fluxo de calor e também aumenta a resistência hidráulica ao escoamento do fluido A incrustação é cara uma vez que 1 aumenta os custos de manutenção resultantes da limpeza 2 resulta em perda de produção 3 aumenta as perdas de energia devido à transferência de calor reduzida aumento da queda de pressão Sistemas com fluxos líquidos e coeficientes de transferência de calor elevados as incrustações reduzem significativamente a transferência de calor com um aumento relativamente pequeno na potência de bombeamento do fluido Sistemas com coeficientes de transferência de calor baixos tais como gases a incrustação aumenta a potência de bombeamento de forma significativa com alguma redução na transferência de calor 5 41Incrustações e seus Efeitos sobre a TC e a Queda de Pressão Discussão qualitativa da influência de um depósito em uma superfície interna de transferência de calor Escoamento plenamente desenvolvido 𝑁𝑢𝐷 ℎ𝐷 𝑘 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ℎ 𝑁𝑢𝐷 𝑘 𝐷ℎ 𝑁𝑢𝐷 0023𝑅𝑒𝐷 08𝑃𝑟04 ℎ 𝑘 𝐷ℎ 0023 4𝑚 𝑃𝜇 08 𝑃𝑟04 Escoamento Laminar Escoamento Turbulento 41 A queda de pressão por atrito é a contribuição dominante para a queda de pressão em um trocador de calor Assim as seguintes relações de queda de pressão são expressas 𝑃 𝑓 4𝐿 𝐷ℎ 𝐺2 2𝑔𝑐𝜌 1 𝐷ℎ 3 1 2𝑔𝑐 𝜇 𝜌 16𝐿 𝑃 𝑚 𝑓 𝑅𝑒 1 𝐷ℎ 3 00464𝐿 2𝑔𝑐 𝜇02 𝜌 4𝑚 𝑃 18 Escoamento Laminar Escoamento Turbulento 42 Onde G velocidade mássica do fluido baseada na área livre mínima G 𝑚 A0 kgm²s gc constante de proporcionalidade na Segunda Lei de Newton do Movimento adimensional f fator de atrito de ventilação adimensional 6 41Incrustações e seus Efeitos sobre a TC e a Queda de Pressão A consequência física mais importante da incrustação é a seção transversal de escoamento ficando ligada e resultando em um Dh reduzido de passagens de escoamento A partir das Eqs 41 e 42 ℎ 1 𝐷ℎ 𝑃 1 𝐷ℎ 3 43 Influências efetivas de incrustação no coeficiente de transferência de calor e queda de pressão são substancialmente mais complexas do que as apresentadas pelas Eqs 43 e 44 O aumento de P pode ser traduzido em aumento de potência de bombeamento do fluido usando a seguinte equação 𝑃 𝑃 𝜂𝑝 Onde 𝜂𝑝 é a eficiência da bombaventilador 7 41Incrustações e seus Efeitos sobre a TC e a Queda de Pressão Análise do impacto da incrustação na transferência de calor no trocador Aumento do coeficiente de transferência de calor por convecção Eq 41 entre o fluido e a superfície de transferência de calor por duas razões Aumento da velocidade de escoamento Aumento da rugosidade da superfície devido à camada de incrustação 8 41Incrustações e seus Efeitos sobre a TC e a Queda de Pressão Camadas de depósitos em um ou ambos os lados dos fluidos aumentam a Resistência Térmica ao fluxo de calor 1 𝑈𝐴 1 𝑈𝑓𝐴𝑓 1 𝑈𝑞𝐴𝑞 1 𝜂0ℎ𝐴 𝑓 𝑅𝑑𝑓 𝜂0𝐴 𝑓 𝑅𝑝 𝑅𝑑𝑞 𝜂0𝐴 𝑞 1 𝜂0ℎ𝐴 𝑞 33 9 41Incrustações e seus Efeitos sobre a TC e a Queda de Pressão As resistências térmicas adicionais em geral reduzem substancialmente o UA global do trocador de calor Os depósitos irão reduzir q e mais significativamente em líquidos do quem em gases Efeitos dos Depósitos Líquidos Gases Efeito prejudicial significativo sobre a transferência de calor Reduz um pouco a transferência de calor Pouco aumento da potência de bombeamento do fluido Aumenta a queda de pressão e potência de bombeamento do fluido significativamente do ponto de vista dos custos Deve ser enfatizado que a mesma ordem de grandeza de um fator de depósito pode ter um impacto diferente no desempenho para as mesmas ou diferentes aplicações 11 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações A incrustação é afetada por um grande número de variáveis relacionadas à superfície do trocador às condições de funcionamento e às correntes de fluido envolvidas Existem seis tipos de mecanismos de incrustação no lado do líquido 1 Incrustação por Precipitação ou Cristalização 2 Incrustação por Partículas Particulada 3 Incrustação por Reação Química 4 Incrustação por Corrosão 5 Incrustação Biológica Bioincrustação 6 Incrustação por Congelamento Solidificação Apenas a Incrustação Biológica não ocorre no lado do gás Note que existem outros exemplos de incrustação que talvez não se enquadram nas categorias acima como a acumulação de não condensáveis em um condensador 12 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 1 Incrustação por Precipitação ou Cristalização O mecanismo dominante é a precipitação de sais dissolvidos no fluido sobre a superfície de transferência de calor quando a concentração de superfície exceder o limite de solubilidade Quando a solução contém Sais de Solubilidade Normal a incrustação por precipitação ocorre na superfície fria Para Sais de Solubilidade Inversa a precipitação do sal ocorre com o aquecimento da solução Comum quando a água não tratada água do mar água geotérmica com salmoura soluções aquosas de soda cáustica são usadas nos trocadores de calor Incrustação a base de cálcio e magnésio A transferência de material sólido para a superfície incrustada é realizada por difusão 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 2 Incrustação por Partículas Particulada Referese à deposição de sólidos em suspensão em um fluido sobre uma superfície de transferência de calor Na maioria das vezes esse tipo de incrustação envolve a deposição de produtos de corrosão dispersos em líquidos partículas de barro e de minerais na água de rio sólidos suspensos em água de refrigeração partículas de fuligem da combustão incompleta deposição de sais em sistemas de dessalinização partículas de poeira em refrigeradores de ar Tubulação superior de caldeira Aquatubular contendo elevada quantidade de lama de origem argilosa água bruta 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 2 Incrustação por Partículas Particulada 15 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações A incrustação por partículas causada por deposição de produtos de corrosão é influenciada pelos seguintes fatores fatores de processo da corrosão do metal liberação e deposição dos produtos da corrosão na superfície condições de temperatura na superfície incrustada Caldeira de tratamento de água incrustação por produtos de corrosão depósitos de óxido de ferro 16 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 3 Incrustação por Reação Química É conhecida como a deposição de material por reações químicas dentro do fluido de processo na camadalimite térmica ou na interface superfíciefluido incrustação em película em que o material da superfície de transferência de calor é não reagente ou participante Pode ocorrer ao longo de uma vasta gama de temperaturas desde a ambiente até a mais de 1000ºC mas é mais acentuada à altas temperaturas Pode ocorrer ao longo de uma vasta gama de temperaturas desde a ambiente até a mais de 1000ºC mas é mais acentuada à altas temperaturas Exemplos deposição de coque em indústrias petroquímicas em fornos de craqueamento em muitas aplicações da indústria de processo tais como pirólise em fase de vapor arrefecimento de gás e óleos polimerização de monômeros Os depósitos a partir das incrustações por reações químicas podem promover corrosão na superfície Este mecanismo de incrustação é uma consequência de uma reação química indesejável que ocorre durante o processo de transferência de calor 17 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 4 Incrustação por Corrosão A própria superfície de transferência de calor reage com o fluido de processo ou com os produto químicos presentes no fluido Seus constituintes são transportados pelo fluido no trocador de calor e produz os produtos de corrosão que são depositados na superfície Afeta a integridade mecânica do trocador de calor Se os produtos da corrosão são formados à montante do trocador e então depositados na superfície de transferência de calor o mecanismo de incrustação referese à incrustação por partículas ou por precipitação dependendo se os produtos da corrosão são insolúveis ou solúveis nas condições do fluido Tubulação de latão com traços de corrosão 18 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações É de importância significativa na concepção da caldeira e do condensador de uma usina de energia alimentada por combustível fóssil Fatores importantes propriedades químicas dos fluidos e a superfície de transferência de calor potencial de oxidação e alcalinidade temperatura local e magnitude do fluxo de calor e vazão mássica do fluido de trabalho Corrosão em tubos de superaquecedor de caldeiras de recuperação 19 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 5 Incrustação Biológica Bioincrustação Resulta da deposição ligação e crescimento de macro ou microrganismos na superfície de transferência de calor Em geral pode ser dividida em dois subtipos principais de incrustação Microbiana e Macrobiana Incrustação Microbiana é a acumulação de microrganismos tais como algas fungos leveduras bactérias Formação de lodo nas superfícies de troca térmica enchimento de torres de resfriamento 20 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Incrustação Macrobiana representa a acumulação de macrorganismos tais como moluscos cracas mexilhões e vegetação encontrada na água do mar ou estuários de água de refrigeração Colônia de mexilhões em tubulação O transporte de nutrientes microbianos sais inorgânicos e microrganismos a partir da massa de fluido para a superfície de transferência de calor é realizada através da difusão molecular ou do transporte turbulento em redemoinho Pode existir principalmente na faixa de temperatura de 0 à 90ºC e crescer no intervalo de temperatura de 20 à 50ºC 21 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações 6 Incrustação por Congelamento Solidificação É devida ao congelamento de um líquido ou alguns de seus constituintes ou deposição de sólidos sobre uma superfície de transferência de calor subresfriada Exemplos formação de gelo sobre a superfície de transferência de calor durante a produção de água gelada ou resfriamento de ar úmido Os principais fatores que afetam a incrustação por solidificação é a vazão mássica do fluido de trabalho condições de temperatura e cristalização condições de superfície e concentração do precursor sólido no fluido 22 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Existem seis tipos de mecanismos de incrustação no lado do líquido 1 Incrustação por Precipitação ou Cristalização 2 Incrustação por Partículas Particulada 3 Incrustação por Reação Química 4 Incrustação por Corrosão 5 Incrustação Biológica Bioincrustação 6 Incrustação por Congelamento Solidificação Apenas a Incrustação Biológica não ocorre no lado do gás 23 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Desenvolvimento de bactérias Corrosão em tubos de caldeiras aquatubulares Tubos do aquecedor tubular Tubulação superior de caldeira aquatubular contendo elevada quantidade de lama de origem argilosa água bruta 24 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Incrustação em Torres de Resfriamento 25 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Incrustação em Trocadores de Calor de Placas Após o ensaio de incrustação com leite UHT e leite cru a e c incrustação úmida e seca de leite UHT b e d incrustação úmida e seca de leite cru 26 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Trecho de um feixe de tubos com limo bacteriano Tubo de cobre com tubérculos predominantes no sentido longitudinal Tubo de superaquecedor de calderia com corrosão ao longo da parte inferior 27 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Incrustação Combinada ocorre em muitas aplicações onde mais do que um mecanismo de incrustação está presente O problema da incrustação tornase muito complexo com seus efeitos sinérgicos Alguns mecanismos de incrustação combinada são Incrustação por partícula combinada com incrustação biológica cristalização e reação química Incrustação por cristalização combinada com incrustação por reação química Condensação de vapores orgânicosinorgânicos combinada com incrustação por partículas em uma corrente de gás Incrustação combinada por precipitação de asfalteno pirólise polimerização eou deposição inorgânica no petróleo bruto Incrustação por corrosão combinada com incrustação biológica por cristalização ou por reação química 28 42Mecanismos Responsáveis pela Formação de Incrustações Algumas variáveis que mais provavelmente controlam qualquer processo de incrustação i Velocidade do fluido ii Temperaturas dos fluidos e da superfície de transferência de calor e diferenças de temperatura iii Propriedades físicas e químicas dos fluidos iv Propriedades da superfície de transferência de calor v Geometria da passagem de escoamento dos fluidos Outras variáveis são concentração de precursor impurezas rugosidade da superfície de transferência de calor química da superfície química dos fluidos pressão 29 43Técnicas de Prevenção e Eliminação de Incrustações Alguns métodos de controle Mecanismos de Incrustação Métodos de ControlePrevenção Incrustação por Cristalização Préaquecimento do fluxo Incrustação por Partículas Filtro ou dispositivo semelhante Incrustação por Reação Química Limpeza química Incrustação por Corrosão Seleção de material resistente à corrosão Incrustação Biológica Biocidas 30 431Prevenção e Controle de Incrustação no Lado Líquido Utilização online em linha de inibidores químicosaditivos A lista de aditivosinibidores químicos inclui 1 Dispersantes para manter as partículas em suspensão 2 Vários compostos para evitar a polimerização e reações químicas 3 Inibidores de corrosão ou passivadores para minimizar a corrosão 4 Cloro e outros biocidasgermicidas para evitar a incrustação biológica 5 Amaciadores ácido policarboxílico e polifosfatos para impedir o crescimento de cristais Filtração pode ser utilizada como um método eficaz de remoção mecânica de partículas Métodos de mitigação segundo Panchal e Knudsen o Aditivos químicos o Ajustes no processo o Dispositivos físicos para limpeza o Superfícies de transferência de calor e dispositivos aprimorados o Métodos alternativos o Tratamento convencional da água 31 431Prevenção e Controle de Incrustação no Lado Líquido Técnicas de mitigação de incrustação na superfície podem ser aplicadas tanto online conectados quanto offline desconectados o Técnicas online incluem várias técnicas mecânicas Escovas rotativas raspadores brocas vibração mecânicaacústica punção de vapor ou ar do lado de fora dos tubos alimentações químicas etc o Técnicas offline sem abertura do trocador de calor incluem Limpeza química limpeza mecânica pela circulação de partículas em suspensão e cozimento térmico para derreter depósitos de gelo o Técnicas offline com abertura do trocador de calor incluem 1 Vapor à alta pressão ou pulverização de água para um trocador de calor casco e tubo 2 Cozimento dos módulos de um trocador de calor compacto em estufa Se a incrustação é grave uma combinação de métodos é necessária 32 431Prevenção e Controle de Incrustação no Lado Líquido 33 431Prevenção e Controle de Incrustação no Lado Líquido 34 431Prevenção e Controle de Incrustação no Lado Líquido 35 431Prevenção e Controle de Incrustação no Lado Líquido 36 432Prevenção e Redução de Incrustação no Lado Gás As técnicas padrão para o controle eou prevenção de incrustação são 1 Técnicas para remoção de resíduos potenciais do gás 2 Aditivos para o fluido do lado gás 3 Técnicas de limpeza de superfície 4 Ajuste do projeto O procedimento de controle de incrustação deve ser precedido de 1 verificação da existência de incrustações 2 identificação da causa que domina a incrustação acumulada e 3 caracterização do depósito Alguns dos métodos de mitigação de incrustações do lado gás são os seguintes Mecanismos de Incrustação Métodos de ControlePrevenção Incrustação por Cristalização Mantendo a temperatura da superfície acima do ponto de congelamento dos vapores a partir da corrente gasosa 37 432Prevenção e Redução de Incrustação no Lado Gás Mecanismos de Incrustação Métodos de ControlePrevenção Incrustação por Partículas 1 Aumentando a velocidade da corrente de gás se ele escoa paralelamente à superfície e diminuindo a velocidade se o escoamento do gás colide com a superfície 2 Aumentado a temperatura de saída dos gases acima do ponto de fusão das partículas 3 Minimizando o teor de chumbo no combustível ou hidrocarbonetos não queimados no combustível diesel 4 Redução da proporção combustívelar para uma determinada eficiência de combustão 38 432Prevenção e Redução de Incrustação no Lado Gás Mecanismos de Incrustação Métodos de ControlePrevenção Incrustação por Reação Química 1 Mantendo a faixa de temperatura correta no gás 2 Aumentando ou diminuindo a velocidade da corrente gasosa dependendo da aplicação 3 Reduzindo a concentração de oxigênio na corrente gasosa 4 Substituindo o carvão por óleo combustível e gás natural 5 Diminuindo a razão combustívelar 39 432Prevenção e Redução de Incrustação no Lado Gás Mecanismos de Incrustação Métodos de ControlePrevenção Incrustação por Corrosão Dependência da temperatura de saída do gás o Acima do ponto de condensação do ácido acima de 150ºC para condensação de ácido sulfúrico ou hidroclórico o Abaixo de 200ºC para o ataque por enxofre cloro e hidrogênio na corrente do gás O valor do ph tem um papel considerável a taxa de corrosão é mínima para um ph de 11 a 12 para superfícies de aço Aço inoxidável vidro plástico e silício são altamente resistentes à corrosão de baixa temperatura Tgás 260ºC Aço inoxidável e superligas à corrosão de média temperatura 260ºC Tgás 815ºC Superligas e materiais cerâmicos à corrosão de alta temperatura Tgás 815ºC 40 433Estratégias de Limpeza Um elemento importante na mitigação de um problema de incrustação é a seleção do período do ciclo de limpeza O período do ciclo de limpeza pode ser o Delineado pela operação de um trocador de calor até que o desempenho atinja o valor mínimo aceitável o Determinado com base em uma manutenção regular agendada durante as paradas do processo A importância de planos racionais de limpeza é crítica quando 1 O desvio admissível de temperatura da corrente do processo é pequena em comparação com os valores absolutos condensadores em instalações de vapor 2 O custo de limpeza é uma fração significativa do custo operacional Estratégias de limpeza para manutenção de prevenção são 1 Baseada na Confiabilidade 2 Baseada nos Custos