O Trocador de calor tipo casco e tubo

RESUMO

Este relatório tem por objetivo mostrar os resultados obtidos durante o projeto e simulação de um trocador de calor tipo casco e tubo para o resfriamento da água. Sob condições de temperatura ambiente, estes trocadores são amplamente utilizados no aquecimento, resfriamento, evaporação e condensação de fluidos. Trocadores deste tipo têm muitas aplicações nas indústrias de geração de energia química, farmacêutica e óleo e gás. Para o desenvolvimento do projeto o fluido escolhido para seu resfriamento foi à própria água contida no tubo de PVC de 1,35 metros por 150 mm de diâmetro, com uma espiral de tubo de cobre com 1 metro de comprimento por 80 mm de diâmetro, termômetros tipo espeto, mangueiras de silicone, cola de isopor, Para tal finalidade foi definido uma série de variáveis iniciais, adequando as variáveis a fim de se obter os melhores resultados na simulação do trocador de calor.

         

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1. INTRODUÇÃO

Trocadores de calor são equipamentos em que dois fluidos a diferentes temperaturas trocam calor através de uma superfície metálica, podendo ou não ocorrer mudança de fase dos fluidos. Essa troca térmica é empregada para atender às exigências de um dado processo.

Dentre os vários tipos de trocadores de calor empregados em processos industriais, o mais usado é o tipo casco e tubos. Este trocador consiste, resumidamente, de um casco cilíndrico que contém tubos em seu interior. Um dos fluidos de trabalho escoa pelo casco e o outro fluido, pelos tubos do feixe. A troca térmica é realizada através das paredes dos tubos. Os componentes principais deste equipamento são o casco, o feixe de tubos e os cabeçotes de entrada e retorno.

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                              Figura 1. Trocador de calor de casco e tubos com chicanas.(UFCE, 2013).

O projeto de um casco e tubo compreende duas etapas distintas: o projeto térmico e o projeto mecânico. No projeto térmico, o trocador é dimensionado e a troca de calor e perda de carga, quantificadas. Nesta etapa, os principais parâmetros de construção como o tipo e diâmetro do casco, espessura da parede, diâmetro externo e comprimento dos tubos e o espaçamento entre as chicanas são determinados. No projeto mecânico, cálculos detalhados são realizados a fim de dimensionar componentes como espelhos e flanges.

Neste projeto, foi escolhido o trocador de calor tipo casco tubo em espiral (serpentina) onde será abordado apenas o projeto térmico do trocador. Dado um par de correntes fria e quente, o projeto térmico consiste na determinação ótima do trocador casco e tubo que atende as exigências do serviço. A finalidade do projeto térmico é determinar as características de um equipamento que apresente a máxima troca térmica aliada ao menor custo.

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                    Figura 2. Projeto do trocador de calor de casco e tubos em espiral.

As propriedades mecânicas específicas de um trocador tipo casco e tubo têm grande impacto em seu desempenho térmico porque afetam diretamente o fluxo no trocador e consequentemente a transferência de calor

2. JUSTIFICATIVA

O trocador de calor é um dispositivo que realiza a transferência de calor entre fluidos. O tipo mais simples consiste em um recipiente onde um fluido frio e um quente é misturado diretamente. Nesse sistema, os fluidos atingem a mesma temperatura final e a quantidade de calor transferida pode ser quantificada igualando-se a energia perdida pelo fluido mais quente à energia adicionada ao fluido mais frio ou vice-versa.

As aplicações específicas de um trocador de calor podem ser encontradas no aquecimento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de potência, na recuperação de calor em processos e no processamento químico. Geralmente, eles são classificados de acordo com a configuração do escoamento e do tipo de construção.

Em trocadores de calor mais simples, os fluidos quentes e frios movem-se no mesmo sentido ou em sentidos opostos, em uma construção de tubos concêntricos, também chamada de bi tubular. Na configuração paralela, os fluidos entram pela mesma extremidade, escoa no mesmo sentido e deixam o equipamento na mesma extremidade. Já na configuração contracorrente, os fluidos entram no equipamento, escoam e deixam o trocador de calor em extremidades opostas. Os fluidos também podem se mover em escoamento cruzado. Ambas as configurações são diferenciadas por uma idealização que trata o escoamento do fluido sobre os tubos como misturado e não misturado.

Outra configuração é a em casco e tubos. Formas específicas desse tipo de trocador de calor se diferenciam pelo número de passes no casco e nos tubos. A forma mais simples consiste em um único passe. Normalmente, chicanas1 são instaladas para aumentar o coeficiente convectivo do fluido ao lado do casco, incentivando a turbulência e um componente de velocidade na direção do escoamento cruzado.  

Em espiral (de tubos circulares) ordenada em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum problema.

O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais. A primeira seria a análise térmica, onde se determina a área necessária à transferência de calor para as condições desejadas de temperatura e escoamento dos fluidos. Após isso, o projeto mecânico preliminar leva em conta as considerações sobre temperaturas e pressões de operação.

3. OBJETIVOS

        

Este relatório tem por objetivo mostrar os resultados obtidos durante o projeto e simulação de um trocador de calor tipo casco e tubo em espiral para o resfriamento da água. Sob condições de temperatura ambiente, o fluido escolhido para seu resfriamento foi à própria água contida no tubo. Para tal finalidade foi definido uma série de variáveis iniciais, adequando as variáveis a fim de se obter os melhores resultados na simulação do trocador de calor.

Para que esses resultados sejam obtidos foi construído um trocador de calor tipo casco tubo em espiral, seu casco principal em PVC, com uma serpentina (espiral) de cobre no seu interior onde o fluído ficou circulando com o auxilio de mini bombas d’água (bomba de aquário), sendo estabelecida uma variável de entrada do fluido frio e outra de fluido em temperatura ambiente, verificando-se assim as variações no decorrer do processo de passagem do fluido pelo sistema de casco tubo em espiral.

Assim, sendo feita a aferição de temperatura tanto na entrada como na saída do sistema em espiral e do casco, foi verificado variações de temperaturas entre a entrada e a saída do sistema.