O que são trocadores de calor de casco e tubos?

Trocadores de calor de casco e tubos são amplamente utilizados na engenharia e representam um dos dois tipos mais comuns de trocadores de calor; o outro tipo comum é o trocador de calor de placas.

Os trocadores de calor de casco e tubos possuem um design simples, estrutura robusta e custos de aquisição e manutenção relativamente baixos. Eles também oferecem uma alta eficiência de transferência de calor, embora exijam mais espaço do que um trocador de calor de placas com capacidade térmica semelhante.

Trocadores de Calor de Casco e Tubos

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Componentes do Trocador de Calor de Casco e Tubos

Um trocador de calor de casco e tubos é composto por uma série de tubos alojados dentro de um recipiente cilíndrico conhecido como ‘casco’. Todos os tubos dentro do casco são coletivamente chamados de ‘feixe de tubos’ ou ‘ninho de tubos’. Cada tubo passa por uma série de defletores e chapas tubulares (também conhecidas como ‘pilhas de tubos’). Uma das chapas tubulares é fixa e a outra é móvel, permitindo a expansão térmica quando o trocador de calor é aquecido.

Componentes do Trocador de Calor de Casco e Tubos

O fluido que flui dentro dos tubos é conhecido como meio do ‘lado dos tubos’. O fluido que flui fora dos tubos é conhecido como meio do ‘lado do casco’. Cada meio tem uma entrada e uma saída.

O meio do lado dos tubos é geralmente escolhido para o fluido de alta pressão, pois cada tubo pode atuar como um pequeno vaso de pressão; também é mais econômico fabricar tubos com classificação de alta pressão do que um casco com a mesma classificação.

Exemplo: Trocadores de Calor

Um trocador de calor de casco utiliza água para resfriar óleo. O óleo é o meio do lado do casco, enquanto a água é o meio do lado dos tubos. O óleo entra pela entrada superior esquerda e flui através do trocador de calor até chegar à saída inferior direita. A água flui através dos tubos da entrada direita para a saída esquerda.

Trocador de Calor de Passagem Única

Como funcionam os trocadores de calor de casco e tubos?

O vídeo abaixo é um extrato do nosso Curso Online de Trocadores de Calor.

O trocador de calor de casco e tubos é dividido em dois sistemas principais, denominados lado do casco e lado dos tubos. Cada sistema tem um meio de fluxo associado. No nosso exemplo, assumiremos que o lado do casco contém óleo mineral quente que precisa ser resfriado, enquanto o lado dos tubos contém água de resfriamento.

A água de resfriamento entra no trocador de calor e flui através dos tubos. O óleo mineral entra no trocador de calor e flui no casco ao redor dos tubos. Os dois fluidos não se misturam devido à barreira proporcionada pelas paredes dos tubos. Como os fluidos não se misturam diretamente, ocorre resfriamento indireto.

Fluxo turbulento aumenta a eficiência de transferência de calor do trocador e também reduz a probabilidade de sólidos dissolvidos se acumularem nas paredes dos tubos e do casco (o fluxo turbulento tem um efeito autolimpante).

O fluxo turbulento dentro dos tubos é gerado pela inserção de inserções de tubos (também conhecidas como ‘turbuladores’) em cada um dos tubos. O fluxo turbulento dentro do casco é criado por defletores, que direcionam a água através dos tubos várias vezes enquanto ela percorre o trocador de calor.

Inserções de Tubos (linha preta no meio do tubo)

O calor é transferido entre os dois fluidos porque eles estão em contato térmico um com o outro. O óleo sai do trocador de calor mais frio e a água sai do trocador de calor mais quente.

Fluxo Paralelo, Contracorrente e Cruzado

Fluxo Paralelo, Contracorrente e Cruzado

Os trocadores de calor estão disponíveis em várias formas e tamanhos. Para facilitar a classificação, eles são frequentemente divididos em grupos com base no design e nas características operacionais. Uma dessas características é o tipo de fluxo.

Existem três tipos principais de fluxo: paralelo, contracorrente e cruzado. Devido a considerações de design e às aplicações dos trocadores de calor, é raro que um trocador de calor seja exclusivamente de um desses tipos de fluxo; geralmente, eles são uma combinação de vários tipos, como fluxo cruzado contracorrente.

Fluxo Paralelo

Fluxo paralelo ocorre quando ambos os meios do lado do casco e do lado dos tubos entram no trocador de calor pelo mesmo lado e fluem para o lado oposto. A variação de temperatura (delta T/ΔT) entre os dois meios é igual para ambos, ou seja, ambos aumentam ou diminuem por uma certa quantidade. Note que a temperatura de saída para ambos os meios tende a convergir e não é possível resfriar abaixo desse ponto, mesmo que a temperatura de entrada do fluido mais frio seja inferior à temperatura de convergência (a temperatura de convergência no gráfico abaixo é aproximadamente 80°C).

Trocador de Calor de Fluxo Paralelo

Fluxo Contracorrente

Fluxo contracorrente (também conhecido como contra-fluxo) em trocadores de calor tem dois meios de fluxo que fluem em direção oposta (180° separados) um do outro. Cada meio de fluxo entra no trocador de calor em extremidades opostas e é descarregado em extremidades opostas. Como o meio mais frio sai do trocador de calor de fluxo contracorrente na extremidade onde o meio quente entra, o fluido mais frio se aproxima da temperatura de entrada do fluido quente; isso torna o delta T potencial muito maior do que o de um trocador de calor de fluxo paralelo. Trocadores de calor de fluxo contracorrente são o tipo mais eficiente de trocador de calor.

Trocador de Calor de Fluxo Contracorrente

Fluxo Cruzado

Fluxo cruzado em trocadores de calor tem um meio fluindo perpendicularmente (a 90°) ao outro. Trocadores de calor de fluxo cruzado são geralmente encontrados em aplicações onde um dos fluidos muda de estado (fluxo bifásico). Por exemplo, um condensador de sistema de vapor, no qual o vapor que sai da turbina entra no lado do casco do condensador, e a água fria fluindo nos tubos absorve o calor do vapor, condensando-o em água. Grandes volumes de vapor podem ser condensados usando esse tipo de fluxo de trocador de calor.

Trocador de Calor de Fluxo Cruzado

Passagem Única e Múltipla

Uma maneira econômica e eficiente de aumentar a eficiência de um trocador de calor é colocar os meios de fluxo em contato um com o outro várias vezes. Cada vez que um meio passa sobre o outro, o calor é transferido.

Quando um meio de fluxo passa sobre o outro apenas uma vez, é chamado de trocador de calor de ‘passagem única’.

Design de Trocador de Calor de Passagem Única

Quando um meio de fluxo passa sobre o outro mais de uma vez, é chamado de trocador de calor de ‘passagem múltipla’.

Design de Trocador de Calor de Passagem Múltipla

Passagem Múltipla nos Tubos

Comumente, o trocador de calor de passagem múltipla reverte o fluxo nos tubos usando um ou mais conjuntos de curvas em "U" nos tubos. As curvas em "U" permitem que o fluido flua de um lado para o outro ao longo do trocador de calor. Este tipo de trocador de calor é conhecido como trocador de calor de casco e tubos em U.

Trocador de Calor em Forma de U

Também é possível reverter o fluxo através dos tubos usando o lado inferior ou superior do feixe de tubos para uma passagem e o lado oposto para a próxima passagem. Assim, cada metade de um feixe de tubos equivale a uma passagem.

Passagem Múltipla no Casco

Um segundo método para alcançar múltiplas passagens é inserir defletores no lado do casco do trocador de calor. Esses defletores direcionam o fluido do lado do casco de um lado para o outro através dos tubos para alcançar o efeito de passagem múltipla.

Trocador de Calor de Passagem Múltipla

Vantagens e Desvantagens dos Trocadores de Calor de Casco e Tubos

Vantagens

• Mais econômicos em comparação com trocadores de calor de placas.
• Design relativamente simples e fácil de manter.
• Adequados para pressões e temperaturas mais altas em comparação com trocadores de calor de placas.
• A queda de pressão (delta P/ΔP) é menor do que em um trocador de calor de placas.
• Facilidade para localizar e isolar tubos com vazamento.
• Os tubos podem ser ‘dupla parede’ para reduzir a probabilidade de o fluido do lado do casco vazar para o fluido do lado dos tubos (ou vice-versa).
• Facilidade para instalar ânodos sacrificiais.
• Menor tendência a incrustações em comparação com trocadores de calor de placas.

Desvantagens

• Menos eficientes do que trocadores de calor de placas.
• Requerem mais espaço para abertura e remoção dos tubos.
• A capacidade de resfriamento não pode ser aumentada, ao contrário dos trocadores de calor de placas.

Partes do Trocador de Calor de Casco e Tubos

Placa de Partição

A placa de partição separa as metades inferior e superior do trocador de calor. A partição desvia o meio de fluxo através dos tubos. Entrada / Saída Entrada ou saída do meio fluido que flui através dos tubos ou do casco do trocador de calor.

Carcaça/Casco

A carcaça/casco é usada para conter o meio de fluxo e abrigar as partes internas. Também serve como uma peça estrutural forte à qual outras peças podem ser anexadas. Placa de Cobertura A placa de cobertura é usada para selar uma extremidade do casco e evitar vazamentos.

Gaxeta

Uma gaxeta é colocada entre duas superfícies metálicas. A gaxeta é geralmente feita de papel ou borracha e é ‘espremida’ entre os metais para criar uma vedação. A vedação evita vazamentos.

A forma da gaxeta também evita vazamentos ao redor da placa de partição.

Chapa Tubular Estacionária

A chapa tubular fica dentro do casco e suporta as extremidades dos tubos. O peso dos tubos é então ainda mais suportado pelos defletores (dependendo do design).

Defletores

Defletores são usados para mudar o fluxo direcional do meio fluido. Mudar a direção garante uma distribuição uniforme de calor por todo o trocador de calor. A eficiência diminui quando o fluxo através do trocador de calor não é distribuído uniformemente.

Parafuso

Parafusos e porcas são usados para fixar partes do trocador de calor. Os parafusos escolhidos devem ter características adequadas de resistência à tração e resistência à corrosão. Parafusos são a parte ‘masculina’ de um conjunto de porca e parafuso.

Porca

Parafusos e porcas são usados para fixar partes do trocador de calor. As porcas escolhidas devem ter características adequadas de resistência à tração e resistência à corrosão.

Porcas são a parte ‘feminina’ de um conjunto de porca e parafuso.

Barras de Amarração

Barras de amarração são usadas como guias para os defletores para garantir que não ocorra movimento rotacional ou axial dos defletores.

Tubos

Um dos meios fluidos flui diretamente através dos tubos enquanto o outro flui de forma turbulenta no exterior. O calor é trocado entre os dois meios devido à proximidade (o calor é trocado por condução para as paredes dos tubos e depois para o meio externo).

Casco

Os tubos, defletores e barras de amarração estão todos alojados dentro do casco (carcaça). É a construção de casco e tubos que dá nome a este tipo de trocador de calor.

Recursos Adicionais

http://www.mcraeeng.com/how-shell-and-tube-heat-exchangers-work/page-2/blog.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger

https://www.explainthatstuff.com/how-heat-exchangers-work.html