Trocadores de Calor Supradimensionados

Os trocadores de calor são frequentemente comprados supradimensionados para a capacidade necessária. Este tutorial analisa as razões pelas quais, os efeitos que isso causa e os requisitos relacionados, como dimensionamento de armadilhas para trocadores supradimensionados.

Os cálculos anteriores (Módulo 13.2) assumiram que o trocador de calor havia sido dimensionado na área de aquecimento perfeita para atender à especificação. Isso significaria que o trocador de calor estaria exatamente dimensionado para a capacidade.

Isso é altamente improvável na prática, pois o projetista ou especificador geralmente adicionará outros fatores, incluindo aqueles para incerteza de incrustação e incerteza das cargas máximas de operação. Também é improvável que os fabricantes possam fornecer trocadores de calor para corresponder exatamente a uma especificação. Como trocadores de calor subdimensionados são impraticáveis, eles geralmente são comprados supradimensionados.

As condições operacionais estabelecidas no Exemplo 13.2.1, Parte ‘C’, foram reconsideradas no Exemplo 13.3.1 adicionando 15% à área de aquecimento necessária para levar em conta contingências.

A área de aquecimento necessária é calculada como 1,09 m² (Exemplo 13.2.1, Parte ‘C’), portanto, a área de aquecimento especificada para o Exemplo 13.3.1 deve ser 1,09 + 15% = 1,254 m².

O menor tamanho que o fabricante pode fornecer tem uma área de aquecimento de 1,31 m², representando uma área de aquecimento real de cerca de 20% acima da necessária. Uma área de aquecimento maior requer menor pressão de vapor para a mesma taxa de transferência de calor e, por causa disso, a pressão do vapor em um trocador de calor supradimensionado será menor para a mesma carga de calor.

Como a pressão do vapor é menor, a temperatura do vapor é menor, e o LMTD (Diferença Média Logarítmica de Temperatura) do trocador de calor também será menor.

Para determinar a temperatura do vapor para a condição de projeto, é necessário primeiro encontrar o novo LMTD (ΔTLM) para a maior área de aquecimento (veja Exemplo 13.3.1).

Exemplo 13.3.1

O ΔTLM pode ser encontrado reorganizando a Equação 13.2.1 para fornecer a Equação 13.3.1 Do Exemplo 13.2.2, em plena carga: A temperatura de entrada secundária (T1) = 10°C

A temperatura de saída secundária (T2) = 60°C

A nova temperatura de projeto do vapor agora pode ser determinada usando a Equação 2.5.5: Esta temperatura corresponde a uma pressão de vapor de 1,95 bar g. Quando o trocador de calor foi perfeitamente dimensionado no Módulo 13.2, a pressão do vapor era 4 bar g. Neste exemplo, com um trocador de calor 20% supradimensionado, a pressão do vapor é 51% menor.

Agora que a pressão do vapor foi prevista na condição de plena carga, é possível calcular o fluxo de vapor em plena carga. Usando a Equação 2.8.1 encontre a vazão de vapor na carga total de calor de 314,25 kW. A 1,95 bar g, as tabelas de vapor indicam que a entalpia de evaporação é 2 164,6 kJ/kg. O fluxo de vapor era 536,6 kg/h no trocador de calor perfeitamente dimensionado (Exemplo 13.2.1), então pode-se ver que há uma ligeira queda (2,5%) na vazão mássica. Isso se deve ao vapor ter uma entalpia de evaporação ligeiramente maior no trocador de calor maior devido à sua menor pressão.

Determinar o TDC para o trocador de calor maior Agora que a temperatura do vapor foi determinada para o trocador de calor supradimensionado (usando a equação LMTD [Equação 2.5.5]), agora é possível encontrar seu TDC, usando a Equação 13.2.2. Na carga mínima de calor: Quando o trocador de calor foi perfeitamente dimensionado no Exemplo 13.2.1, a temperatura do vapor era 115,2°C na carga mínima de calor de 188,5 kW.

Porque o trocador de calor supradimensionado neste exemplo é cerca de 20% maior, a temperatura do vapor também será menor na carga mínima de calor. A carga mínima de calor permanece a mesma do Exemplo 13.2.1 e ocorre quando a temperatura de entrada secundária sobe para 30°C. Da Equação 13.2.3: Comparando os dois trocadores de calor na carga mínima, a temperatura do vapor caiu de 115,2°C no trocador de calor perfeitamente dimensionado para 103,8°C no trocador de calor supradimensionado.

Das tabelas de vapor, esta temperatura do vapor corresponde a uma pressão de vapor de cerca de 0,15 bar g e hfg = 2 247 kJ/kg. A pressão do vapor no trocador perfeitamente dimensionado (a 115,2°C) era 0,7 bar g.

Usando a Equação 2.8.1, é possível encontrar o fluxo de vapor na carga mínima de calor de 188,5 kW. O fluxo mínimo de vapor era 306 kg/h no trocador de calor perfeitamente dimensionado (Exemplo 3.2.1), então pode-se ver que há uma queda marginal no fluxo de massa no trocador de calor supradimensionado na carga mínima de calor. Isso se deve ao vapor ter uma entalpia de evaporação ligeiramente maior no trocador de calor maior devido à sua menor pressão.

A pressão do vapor, a armadilha de vapor e a remoção eficaz de condensado

À medida que o vapor cede seu calor através da superfície de transferência de calor para o fluido secundário, ele condensa no espaço de vapor. O condensado passa pela saída do trocador de calor e através de uma armadilha de vapor, que retém o vapor no espaço de vapor enquanto permite que o condensado seja livremente descarregado.

Se o trocador de calor não foi especificamente projetado para operar com condensado alagando o espaço de vapor, a pressão do vapor precisa de consideração cuidadosa para garantir que o trocador de calor seja adequadamente drenado de condensado. Qualquer alagamento do espaço de vapor reduzirá a área efetiva de superfície de aquecimento, e o requisito de transferência de calor pode ser satisfeito apenas se o trocador for suficientemente (talvez acidentalmente) supradimensionado.

A capacidade da armadilha de vapor dependerá do seu tipo, do tamanho do orifício e da pressão diferencial através dela. A pressão diferencial fornece a energia para empurrar o condensado através da armadilha e é a diferença entre a pressão do vapor no trocador de calor e a contrapressão exercida na saída da armadilha pelo sistema de condensado.

Se a armadilha de vapor drena por gravidade através de um tubo dimensionado corretamente para um receptor de condensado ventilado ou uma extremidade aberta, a contrapressão deve estar muito próxima da atmosférica. Sob essas condições, a pressão diferencial em um gráfico de dimensionamento pode simplesmente ser lida como a pressão manométrica no trocador de calor.

Se, no entanto, houver uma elevação após a armadilha (uma subida na linha de descarga da armadilha), ou a linha de descarga da armadilha estiver subdimensionada, ou esta linha estiver pressurizada por qualquer outra razão, a contrapressão pode, em certos momentos, ser superior à pressão no espaço de vapor. Quando isto acontece, a pressão diferencial através da armadilha é invertida e é considerada uma ‘pressão diferencial negativa’. A capacidade da armadilha agora é zero.

Como pode ser visto nos cálculos acima, a pressão do vapor em qualquer trocador de calor é governada pelo seu tamanho e pelas condições secundárias. Como a capacidade da armadilha de vapor depende da pressão diferencial, segue que mudanças na pressão do vapor e na contrapressão afetam a capacidade da armadilha de vapor a todo momento. À medida que a pressão diferencial reduz, a capacidade da armadilha de vapor cairá. Desde que a pressão diferencial seja positiva e a armadilha de vapor seja selecionada e dimensionada com isso em mente, o alagamento e seus problemas associados não ocorrerão.

Dimensionamento da armadilha de vapor para o trocador de calor supradimensionado As condições que precisam ser consideradas são:

• Plena carga : 523 kg/h a 1,95 bar g no espaço de vapor
• Carga mínima : 302 kg/h a 0,15 bar g no espaço de vapor
• Contrapressão : Pressão atmosférica (0 bar g) Considere, no gráfico de capacidade da armadilha de flutuador Figura 13.3.2, uma armadilha de vapor de flutuador esférico DN25 (1”) FT14-4.5. Pode-se ver que ela passará 850 kg/h a uma pressão diferencial de 1,95 bar. Também pode ser visto que a uma pressão diferencial de 0,15 bar ela passará cerca de 370 kg/h. Neste exemplo, considere a armadilha instalada no trocador de calor supradimensionado e drenando por gravidade para um receptor de condensado ventilado, conforme representado na Figura 13.3.1.

Para garantir drenagem adequada, a armadilha de vapor deve ser capaz de lidar com todas as cargas entre as condições de plena carga e carga mínima.

Como a contrapressão do condensado é atmosférica neste exemplo, a pressão mínima do espaço de vapor de 0,15 bar g é sempre superior à contrapressão. Pode-se ver do gráfico de capacidade (Figura 13.3.2) que a armadilha tem capacidade suficiente nas cargas mínima e máxima, então a armadilha de vapor de flutuador esférico DN25 (1”) FT14-4.5 é grande o suficiente.

Se, no entanto, neste exemplo, a contrapressão fosse superior à pressão mínima de vapor de 0,15 bar g, o sistema sofreria stall em algum lugar dentro da faixa operacional normal. (Isso exigiria apenas uma elevação de pouco mais de 1,5 metros após a armadilha para causar isso). De acordo com isso, a armadilha teria que ser selecionada e dimensionada dependendo da quantidade de contrapressão. Com maiores quantidades de contrapressão pode ser necessário instalar uma armadilha-bomba.

Orientação sobre como selecionar a armadilha correta para um trocador de calor é dada no Módulo 13.4.