Consumo de Vapor em Trocadores de Calor

Diferentes tipos de trocadores de calor sao explicados e comparados neste tutorial, junto com calculos de consumo de vapor e outras questoes como a relevancia da carga inicial.

O termo trocador de calor se aplica estritamente a todos os tipos de equipamentos nos quais a transferencia de calor e promovida de um meio para outro. Um radiador domestico, onde a agua quente libera seu calor para o ar ambiente, pode ser descrito como um trocador de calor. Da mesma forma, uma caldeira de vapor onde gases de combustao liberam seu calor para a agua para alcancar a evaporacao, pode ser descrita como um trocador de calor com combustao.

No entanto, o termo e frequentemente aplicado de forma mais especifica a trocadores de calor casco e tubo ou trocadores de calor de placas, onde um fluido primario como o vapor e usado para aquecer um fluido de processo. Um trocador de calor casco e tubo usado para aquecer agua para aquecimento de espacos (usando vapor ou agua) e frequentemente chamado de calorificador sem armazenamento. (Um calorificador com armazenamento, conforme mostrado na Figura 2.13.1, e construido de forma diferente; geralmente consiste em um vaso de armazenamento de agua quente com uma bobina de aquecimento primaria interna).

Os fabricantes frequentemente fornecem uma classificacao termica para seus trocadores de calor em kW, e a partir disso o consumo de vapor pode ser determinado, como para baterias de aquecedores de ar. No entanto, trocadores de calor (particularmente casco e tubo) sao frequentemente muito grandes para os sistemas que devem atender.

Um calorificador sem armazenamento (conforme mostrado na Figura 2.13.2) normalmente sera selecionado de uma gama padrao de tamanhos e pode frequentemente ter uma capacidade muito maior do que o valor de projeto. Para o aquecimento de agua quente em edificios, pode haver tambem certos fatores de seguranca incluidos nos calculos de carga termica. Trocadores de calor de placas tambem podem ser escolhidos de uma gama padrao de tamanhos se as unidades forem brasadas ou soldadas. No entanto, ha mais flexibilidade no dimensionamento de trocadores de calor de placas com gaxetas, onde as placas podem frequentemente ser adicionadas ou removidas para alcancar a area de transferencia de calor desejada. Em muitos casos, trocadores de calor de placas sao superdimensionados simplesmente para reduzir a queda de pressao do fluido secundario. Em plantas existentes, uma indicacao da carga real pode ser obtida se as temperaturas de ida e retorno e a taxa de bombeamento forem conhecidas. No entanto, e importante notar que a vazao indicada na placa do fabricante da bomba provavelmente se relacionara a uma altura manometrica, que pode ou nao estar presente na pratica.

Calculos de consumo de vapor para trocadores de calor

Trocadores de calor casco e tubo e trocadores de calor de placas sao exemplos tipicos de aplicacoes com fluxo. Portanto, ao determinar o consumo de vapor para essas aplicacoes, a Equacao 2.6.5 deve ser usada.

A carga de partida pode ser ignorada se ocorrer raramente, ou se o tempo necessario para alcancar a saida em carga total nao for muito importante. Os trocadores de calor sao mais frequentemente dimensionados com base na carga total de operacao, com a possivel adicao de fatores de seguranca.

As perdas de calor raramente sao levadas em conta nessas aplicacoes com fluxo, pois sao significativamente menores do que a carga total de operacao. Trocadores de calor casco e tubo geralmente sao isolados para evitar perdas de calor e possiveis danos a pessoal. Trocadores de calor de placas tendem a ser mais compactos e ter uma area de superficie muito menor exposta ao ar ambiente, em relacao ao tamanho da unidade.

Exemplo 2.13.1

Determine a carga termica e a carga de vapor do seguinte calorificador de aquecimento sem armazenamento Um calorificador de aquecimento e projetado para operar em carga total com vapor a 2,8 bar g no espaco primario de vapor. As temperaturas de ida e retorno da agua secundaria sao 82 °C e 71 °C respectivamente, a uma taxa de agua bombeada de 7,2 kg/s. cp para agua = 4,19 kJ/kg °C

Tabela 2.13.1 Extrato das tabelas de vapor

Parte 1 Determine a carga termica A carga total pode ser calculada usando a Equacao 2.6.5:

Parte 2 Determine a carga de vapor A taxa de condensacao em carga total pode ser determinada usando o lado esquerdo da equacao de balanco termico 2.6.6:

Trocadores de calor de placas

Um trocador de calor de placas consiste em uma serie de placas metalicas corrugadas finas entre as quais varios canais sao formados, com os fluidos primario e secundario fluindo por canais alternados. A transferencia de calor ocorre do fluido primario (vapor) para o fluido de processo secundario em canais adjacentes atraves da placa. A Figura 2.13.3 mostra uma representacao esquematica de um trocador de calor de placas.

Um padrao corrugado de nervuras aumenta a rigidez das placas e fornece maior suporte contra pressoes diferenciais. Este padrao tambem cria fluxo turbulento nos canais, melhorando a eficiencia da transferencia de calor, o que tende a tornar o trocador de calor de placas mais compacto do que um trocador de calor casco e tubo tradicional. A promocao do fluxo turbulento tambem elimina a presenca de areas estagnadas e, assim, reduz a incrustacao. As placas geralmente serao revestidas no lado primario, para promover a condensacao em gotas do vapor.

O mercado de trocadores de calor a vapor foi dominado no passado pelo trocador de calor casco e tubo, enquanto os trocadores de calor de placas foram frequentemente favorecidos na industria de processamento de alimentos e no aquecimento de agua usada. No entanto, avancos recentes em projeto significam que os trocadores de calor de placas agora sao igualmente adequados para aplicacoes de aquecimento a vapor. Um trocador de calor de placas pode permitir tanto a condensacao quanto o sub-resfriamento do condensado dentro de uma unica unidade. Se o condensado e drenado para um receptor atmosferico, ao reduzir a temperatura do condensado, a quantidade de vapor flash perdido para a atmosfera atraves da ventilacao do receptor tambem e reduzida. Isso pode eliminar a necessidade de um sub-resfriador separado ou sistema de recuperacao de vapor flash. Embora uma area nominal de transferencia de calor possa ser teoricamente calculada usando a Equacao 2.5.3, os trocadores de calor de placas sao projetos proprietarios e normalmente serao especificados em consulta com os fabricantes. Trocadores de calor de placas com gaxetas (trocadores de calor de placas e quadros) Em um trocador de calor de placas com gaxetas, as placas sao fixadas juntas em um quadro, e uma gaxeta fina (geralmente um polimero sintetico) sela cada placa ao redor da borda. Parafusos de aperto instalados entre as placas sao usados para comprimir o pacote de placas entre a placa do quadro e a placa de pressao. Este projeto permite facil desmontagem da unidade para limpeza, e permite que a capacidade da unidade seja modificada pela simples adicao ou remocao de placas. O uso de gaxetas confere um grau de flexibilidade ao pacote de placas, oferecendo alguma resistencia a fadiga termica e variacoes bruscas de pressao. Isso torna alguns tipos de trocadores de calor de placas com gaxetas uma escolha ideal como aquecedor a vapor para fornecimento instantaneo de agua quente, onde as placas serao expostas a uma certa quantidade de ciclos termicos. A limitacao no uso do trocador de calor de placas com gaxetas reside na faixa de temperatura de operacao das gaxetas, o que impoe uma restricao a pressao de vapor que pode ser usada nessas unidades. Trocadores de calor de placas brasadas Em um trocador de calor de placas brasadas, todas as placas sao brasadas juntas (normalmente usando cobre ou niquel) em um forno a vacuo. E um desenvolvimento do trocador de calor de placas com gaxetas, e foi desenvolvido para fornecer mais resistencia a pressoes e temperaturas mais altas a um custo relativamente baixo. No entanto, ao contrario da unidade com gaxetas, o trocador de calor de placas brasadas nao pode ser desmontado. Se a limpeza for necessaria, deve ser retrolavado ou quimicamente limpo. Tambem significa que essas unidades vêm em uma gama padrao de tamanhos, consequentemente o superdimensionamento e comum. Enquanto o trocador de calor brasado tem um design mais robusto do que o tipo com gaxetas, ele tambem e mais propenso a fadiga termica devido a sua construcao mais rigida. Quaisquer mudancas bruscas ou frequentes de temperatura e carga devem, portanto, ser evitadas, e maior atencao deve ser dada ao controle no lado do vapor para evitar tensao termica. Trocadores de calor brasados sao mais adequados (e usados principalmente) para aplicacoes onde as variacoes de temperatura sao lentas, como no aquecimento de espacos. Eles tambem podem ser usados com sucesso com fluidos secundarios que se expandem gradualmente, como oleo termico. Trocadores de calor de placas soldados Em um trocador de calor de placas soldados, o pacote de placas e mantido junto por costuras soldadas entre as placas. O uso de tecnicas de soldagem a laser permite que o pacote de placas seja mais flexivel do que um pacote de placas brasado, permitindo que a unidade soldada seja mais resistente a pulsacao de pressao e ciclos termicos. Os limites operacionais de alta temperatura e pressao da unidade soldada significam que esses trocadores de calor normalmente tem uma especificacao mais alta e sao mais adequados para aplicacoes pesadas na industria de processos. Eles sao frequentemente usados onde se requer desempenho de alta pressao ou temperatura, ou quando meios viscosos como oleo e outros hidrocarbonetos devem ser aquecidos. Trocadores de calor casco e tubo O trocador de calor casco e tubo e provavelmente o metodo mais comum de fornecer troca de calor indireta em aplicacoes de processos industriais. Um trocador de calor casco e tubo consiste em um feixe de tubos envoltos em um casco cilindrico. As extremidades dos tubos sao montadas em placas tubulares, que separam os fluidos primario e secundario. Onde o vapor condensante e usado como meio de aquecimento, o trocador de calor e geralmente horizontal com a condensacao ocorrendo dentro dos tubos. O sub-resfriamento tambem pode ser usado como um meio para recuperar algum calor extra do condensado no trocador de calor. No entanto, se o grau de sub-resfriamento necessario for relativamente grande, e frequentemente mais conveniente usar um resfriador de condensado separado.

Calorificadores sem armazenamento aquecidos a vapor

Um design comum para um calorificador de vapor para agua sem armazenamento e mostrado na Figura 2.13.4. Este e conhecido como um tipo ‘uma passagem de casco, duas passagens de tubos’ de trocador de calor casco e tubo e consiste em um feixe de tubos em U montado em uma placa tubular fixa.

Diz-se que tem ‘uma passagem de casco’ porque as conexoes de entrada e saida do fluido secundario estao em extremidades diferentes do trocador de calor, consequentemente o fluido do lado do casco passa o comprimento da unidade apenas uma vez. Diz-se que tem duas passagens de tubos porque as conexoes de entrada e saida do vapor estao na mesma extremidade do trocador, de modo que o fluido do lado dos tubos passa o comprimento da unidade duas vezes.

Uma divisoria de passagem (tambem chamada de placa divisoria ou placa plumbea) divide o cabeçalho do trocador, de modo que o fluido do lado dos tubos e desviado atraves do feixe de tubos em U em vez de passar direto pelo cabeçalho. Este e um design relativamente simples e economico porque apenas uma placa tubular e necessaria, mas seu uso e limitado a fluidos relativamente limpos, pois os tubos sao mais dificeis de limpar. Nota: e mais dificil substituir um tubo nesses tipos de trocadores de calor. Defletores sao geralmente fornecidos no casco, para direcionar o fluxo do fluido do lado do casco atraves dos tubos, melhorando a taxa de transferencia de calor, e para suportar os tubos. Partindo do frio Conforme mencionado no Modulo 2.7, a carga de partida pode frequentemente ser ignorada se ocorrer raramente ou se o tempo necessario para alcancar a saida em carga total nao for critico. Por essa razao, valvulas de controle e trocadores de calor frequentemente serao encontrados dimensionados para carga total mais os fatores de seguranca habituais. Com sistemas que desligam a noite e nos fins de semana, a temperatura da agua secundaria pode estar baixa na partida em uma manha fria de inverno, e as taxas de condensacao em calorificadores de aquecimento serao mais altas do que a condicao de carga total. Consequentemente, a pressao no espaco de vapor pode estar consideravelmente abaixo da pressao em que o trocador de calor normalmente opera, ate que a temperatura de entrada secundaria suba para seu valor de projeto. Do ponto de vista termico, isso pode nao representar um problema - o sistema simplesmente leva mais tempo para aquecer. No entanto, se o projetista nao levou essa situacao em consideracao, um sistema inadequado de drenagem e remocao de condensado pode causar o acúmulo de condensado no espaco de vapor. Isso pode causar:

• Corrosao interna.
• Tensao mecanica devido a deformacao.
• Ruido, devido a golpe de ariete. Estes causarao problemas para trocadores de calor nao projetados para suportar tais condicoes. Estimando cargas de aquecimento Edificios - Um metodo pratico e subjetivo para estimar uma carga de aquecimento e olhar o proprio edificio. Os calculos podem ser complicados, envolvendo fatores como o numero de renovacoes de ar e taxas de transferencia de calor atraves de paredes, janelas e telhados. No entanto, uma estimativa razoavel pode geralmente ser obtida tomando o volume total do edificio e simplesmente permitindo 30 - 40 W/m³ de espaco ate 3 000 m³, e 15 - 30 W/m³ se acima de 3 000 m³. Isso dara uma estimativa razoavel da carga de aquecimento quando a temperatura externa estiver em torno de uma condicao de projeto de -1°C. Uma maneira pratica de estabelecer o consumo de vapor para uma instalacao existente e usar um medidor de fluxo de vapor preciso e confiavel.

Exemplo 2.13.2

Determine a classificacao de projeto de um calorificador de aquecimento a partir de condicoes medidas reais A classificacao de projeto de um calorificador de aquecimento e desconhecida, mas a carga de vapor e medida em 227 kg/h quando a temperatura externa e 7 °C e a temperatura interna e 19 °C, uma diferenca de 12 °C. O calorificador tambem e projetado para fornecer 19 °C de temperatura interna quando a temperatura externa e -1 °C, uma diferenca de 20 °C. A carga de vapor na condicao de projeto pode ser estimada simplesmente pela razao das diferencas de temperatura:

Calorificadores de armazenamento de agua quente

Calorificadores de armazenamento de agua quente sao projetados para elevar a temperatura de todo o conteudo do frio para a temperatura de armazenamento dentro de um periodo especificado. A taxa media na qual o vapor e condensado durante o periodo de aquecimento ou recuperacao pode ser calculada usando a Equacao 2.13.1

Exemplo 2.13.2 Calcule a carga media de vapor de um calorificador de armazenamento Um calorificador de armazenamento tem uma capacidade de 2 272 litros (2 272 kg), e e projetado para elevar a temperatura dessa agua de 10°C para 60°C em ½ hora com vapor a 2 bar g. cp para agua = 4,19 kJ/kg °C

Este valor medio pode ser usado para dimensionar a valvula de controle. No entanto, quando a temperatura da agua pode estar em seu valor mais baixo, por exemplo 10 °C, a alta taxa de condensacao do vapor pode ser mais do que a valvula de controle totalmente aberta pode passar, e a bobina ficara sem vapor suficiente. A pressao na bobina caira significativamente, com o efeito liquido de reduzir a capacidade do dispositivo de drenagem. Se o dispositivo de drenagem for incorretamente dimensionado ou selecionado, o condensado pode retroceder na bobina, reduzindo sua capacidade de transferir calor e alcancar o tempo de aquecimento necessario. Golpe de ariete pode ocorrer, causando ruido severo e tensoes mecanicas na bobina. No entanto, se o condensado nao for permitido retroceder na bobina, o sistema ainda deve manter o tempo de aquecimento correto.

A solucao e garantir a drenagem adequada do condensado. Isso pode ser alcancado por uma armadilha de vapor ou bomba-armadilha automatica, dependendo das necessidades do sistema. (Consulte o Modulo 13.1 - Trocadores de Calor e Stall).

Outros aquecedores a vapor casco e tubo

Em outros trocadores de calor usando vapor, uma cabeçalha flutuante interna pode ser usada, que e geralmente mais versatil do que a cabeçalha fixa dos trocadores de tubos em U. Eles sao mais adequados para uso em aplicacoes com maiores diferencas de temperatura entre o vapor e o fluido secundario. Como o feixe de tubos pode ser removido, eles podem ser limpos mais facilmente. O fluido do lado dos tubos e frequentemente direcionado a fluir atraves de varias passagens para aumentar o comprimento do caminho de fluxo. Os trocadores sao normalmente construidos com entre uma e dezesseis passagens de tubos, e o numero de passagens e selecionado para alcancar a velocidade projetada do lado dos tubos. Os tubos sao dispostos no numero de passagens necessarias dividindo o cabeçalho usando varias placas divisórias. Duas passagens de casco sao ocasionalmente criadas instalando um defletor longitudinal do lado do casco ao longo do centro do trocador, onde a diferenca de temperatura seria inadequada para uma unica passagem. Arranjos de fluxo dividido e fluxo bipartido tambem sao usados onde a queda de pressao em vez da taxa de transferencia de calor e o fator controlador no projeto, para reduzir a queda de pressao do lado do casco. O vapor tambem pode ser usado para evaporar (ou vaporizar) um liquido, em um tipo de trocador de calor casco e tubo conhecido como reboiler. Estes sao usados na industria do petroleo para vaporizar uma fracao do produto de fundo de uma coluna de destilacao. Estes tendem a ser horizontais, com vaporizacao no casco e condensacao nos tubos (veja Figura 2.13.5).

Em reboilers de circulacao forcada, o fluido secundario e bombeado atraves do trocador, enquanto em reboilers de termossifao, a circulacao natural e mantida por diferencas de densidade. Em reboilers de tipo caldeirao, nao ha circulacao do fluido secundario, e os tubos sao submersos em um reservatorio de liquido.

Tabela 2.13.3 Coeficientes tipicos de transferencia de calor para alguns trocadores de calor casco e tubo

Embora seja desejavel alcancar a condensacao em gotas em todas essas aplicacoes, e frequentemente dificil de manter e e imprevisivel. Para permanecer pratico, os calculos de projeto sao geralmente baseados na suposicao de condensacao em filme.

A area de transferencia de calor para um trocador de calor casco e tubo pode ser estimada usando a Equacao 2.5.3. Embora essas unidades tambem sejam normalmente especificadas em consulta com os fabricantes, alguns coeficientes tipicos de transferencia de calor global onde o vapor e usado como meio de aquecimento (e que incluem uma margem para incrustacao) sao fornecidos na Tabela 2.13.3, como guia.

Trocadores de calor de tubos corrugados

Uma evolucao no design do trocador de calor casco e tubo tradicional e o recente desenvolvimento do trocador de calor de tubos corrugados. Este e um trocador de calor de placa fixa de passagem unica com casco soldado, e tubos corrugados retilineos que sao adequados para fluidos de baixa viscosidade. De maneira semelhante aos trocadores de calor de placas, os tubos corrugados promovem condicoes operacionais turbulentas que maximizam a transferencia de calor e reduzem a incrustacao. Como os trocadores de calor casco e tubo tradicionais, essas unidades sao comumente instaladas horizontalmente. No entanto, no trocador de calor de tubos corrugados, o vapor deve estar sempre no lado do casco.

Trocadores de calor espirais

Os trocadores de calor espirais compartilham muitas caracteristicas semelhantes com os trocadores de calor casco e tubo e de placas, e sao usados em muitas das mesmas aplicacoes. Eles consistem em folhas de metal fabricadas que sao trabalhadas a frio e soldadas para formar um par de canais espirais concentricos, que sao fechados por placas terminais com gaxetas parafusadas a uma carcaca externa. A turbulencia nos canais e geralmente alta, com caracteristicas de fluxo identicas sendo obtidas para ambos os fluidos. Eles tambem sao relativamente faceis de limpar e podem ser usados para fluidos e polpes com incrustacao muito pesada. O uso de apenas uma unica passagem para ambos os fluidos, combinado com a compacidade da unidade, significa que as quedas de pressao atraves das conexoes sao geralmente bastante baixas.