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| Trocador de calor tipo casco e tubo (fonte: wikipedia) |
Existem várias características de projeto térmico, que devem ser tidas em conta quando projeta-se os tubos na nos trocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem:
• Diâmetro dos tubos: Usar-se tubos de pequeno diâmetro faz o trocador de calor tanto econômico como compacto. No entanto, é mais provável o trocador de calor incrustam mais rapidamente e pequeno tamanho faz a limpeza mecânica das incrustações difícil. Ao prevalecer a incrustação e os problemas de limpeza, tubos de diâmetros maiores devem ser utilizados. Assim, para determinar o diâmetro de tubos, o espaço disponível, custos, incrustação, bem como a natureza dos fluidos devem ser considerados.
• Espessura de parede de tubo: A espessura das paredes dos tubos é normalmente determinada de maneira a garantir:
o Existir espaço suficiente para a corrosão
o Que a vibração induzida por fluxo tenha resistência
o Resistência axial
o Disponibilidade de peças sobressalentes
o Resistência de contenção ou "de cintura" (para suportar a pressão do tubo interno)
o Resistência à flambagem (para suportar sobrepressão no casco)
• Comprimentos dos tubos: trocadores de calor são normalmente mais baratos quando ten um menor diâmetro de casco e um longo comprimento de tubo. Assim, normalmente há um objetivo de tornar o trocador de calor, enquanto ao mesmo tempo fisicamente possível, não excedendo as capacidades de produção. No entanto, existem muitas limitações para isso, inclusive o espaço disponível no local onde vai ser utilizado e a necessidade de assegurar que não haja tubos disponíveis em comprimentos que são o dobro do comprimento necessário (para que os tubos possam ser retirados e substituídos). Além disso, o que tem que ser lembrado, os tubos finos são difíceis de remover e substituir.
• Passo (pitch) dos tubos: quando projeta-se os tubos, é prático para garantir que o passo (pitch) dos tubos (i.e., a distância do centro do tubo ao centro de tubos adjacentes) não seja inferior a 1,25 vezes o diâmetro dos tubos externos. Um passo maior dos tubos leva a um maior diâmetro global do casco que leva a um trocador de calor mais caro.
• Corrugação dos tubos: este tipo de tubos, tubos corrugdos, utilizados principalmente para os tubos internos, aumenta a turbulência dos fluidos e o efeito é muito importante na transferência de calor dando um melhor desempenho.
• Distribuição ou configuração (layout) dos tubos: refere-se a como os tubos são posicionados dentro do casco. Existes quatro tipos principais de configuração dos tubos, os quais são, triangular (30°), triangular "girado" (60°), quadrado (90°) ou quadrado girado (45°). Os padrões triangulares são empregados para produzir maior transferência de calor em que força-se o fluido a fluir de uma forma mais turbulenta ao redor da tubulação. Padrões quadrados são empregados onde alta incrustação é experimentada e operações de limpeza são mais regulares.
• Projeto das chicanas: chicanas ou defletores são usados em trocadores de calor casco e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. Eles correm perpendicularmente ao caso e mantém coeso e fixo o feixe de tubos, evitando que os tubos de vergarem ao longo de um comprimento longo. Eles também podem impedir que os tubos vibrem excessivamente. O tipo mais comum de chicana é a chicana segmentar. As chicanas segmentares semicirculares são orientadas a 180 graus para as chicanas adjacentes forçando o líquido a fluir para cima e para baixo entre o feixe de tubos. Chicanas de espaçamento são de grande importância termodinâmica no projeto de trocadores de calor de casco e tubo. Chicanas devem ser espaçadas, tendo em consideração para a conversão da queda de pressão e transferência de calor. Para a otimização térmica e econômica é sugerido que as chicanas sejam espaçados não mais de 20% do diâmetro interno do casco. Tendo-se chicanas espaçadas muito próximas provoca-se uma maior queda de pressão por causa do redirecionamento de fluxo. Consequentemente com as chicanas espaçadas significa que pode haver regiões mais frias nos cantos entre as chicanas. Também é importante para garantir que as chicanas sejam espaçadas perto o suficiente para que os tubos não cedam. O outro tipo principal de defletor é o disco e defletor de rosca, que consiste de dois defletores concêntricos, o defletor exterior mais amplo parece uma rosquinha (donut), embora o defletor interno é em forma de disco. Este tipo de defletores forçam o fluido a passar em torno de cada lado do disco, em seguida, através do defletor donut gerando um tipo diferente de fluxo de fluido." Fonte: Wikipedia
Nota: Esse tipo de trocador de calor merece atenção pois o mesmo sofre os efeitos da cavitação, provocando vazamentos em sua tubulação interna, e como é comumente usado em usinas hidrelétricas, nas centrais de lubrificação e regulação de velocidade, com fluxo constante de água para resfriar o óleo das centrais, estes vazamentos podem ocasionar lançamento de óleo na tubulação de drenagem que retorna para o rio ou contaminar totalmente o óleo usado nas centrais com água de resfriamento ocasionando parada das unidades geradoras. Veja abaixo dois exemplos de trocadores de calor tipo casco e tubo, com tubos internos de cobre danificados pela cavitação que provocou vazamento interno, que só foi percebido no primeiro caso porque foi constatado presença de óleo na água de drenagem, e no segundo caso houve aumento do nível de óleo na central oleodinâmica. Vale lembrar que nos dois casos não houve nenhum indício de vazamento em sua área externa.
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| Trocador de calor danificado, utilizado em unidade hidráulica de lubrificação de UHE |
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| Trocador de calor danificado, utilizado em unidade hidráulica de regulação de velocidade de UHE |
Em breve postarei novos artigos em continuação à este tema.
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