TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBULAR

São trocadores muito comuns em processos industriais que necessitam de grandes áreas para transmissão de calor. Consiste em um arranjo de tubos dispostos em paralelo, onde há escoamento interno de um determinado fluido, dentro de um casco cilíndrico, no qual circula o outro fluido.

Sua ampla utilização se deve as vantagens de fabricação, desempenho térmico e consequentemente, custo. A razão entre a área superfícies de troca de calor e espaço ocupado é muito grande, o resultado é uma boa flexibilidade nas condições de projeto e operação (possibilitando uma ampla faixa de temperatura e pressão).

Componentes básicos de trocador casco e tubos:

- Casco (1)
- Feixe de tubos
- Espelhos (2)
- Defletores (ou chicanas) (5)
- Cabeçotes (3 - carretéis e 4 - tampo)
- Tirantes (6)

1. Componentes de um trocador de calor casco e tubos

Defletores ou chicanas

- Conduzem o escoamento do fluido de forma ora cruzado, ora paralelo, o que ocasiona certa turbulência e um maior tempo de residência do fluido do casco, levando a um aumento da transferência de calor.
- Ajudam a suportar os tubos no interior do casco, evitando a flexão dos mesmos orifícios anulares, disco e anel e segmentados.

2. Tipos de defletores

Cabeçotes

- Cabeçote estacionário: está ligado ao feixe de tubos e serve para admissão ou admissão e descarga do fluido dos tubos.
- Cabeçote de retorno: dá acabamento ao casco ou descarga do fluido dos tubos.

Caracterização de um trocador de calor - TEMA
Tipo: (cabeçote estacionário, casco e cabeçote de retorno).

3. Caracterização do trocador: casco e cabeçotes

Cabeçotes estacionários:

- Tipos A e B podem ser removidos sem a remoção dos tubos.
- Tipos A e C permitem inspeção dos tubos sem a remoção do cabeçote.

Cascos:

- Tipo E - mais usado.
- Tipos G, H e J para reduzir a perda de pressão do fluido do casco e ainda no caso de condensadores em série.
- Tipo K é usado como refervedor ou em refrigeradores e deve ter o diâmetro do casco bem maior do que o do feixe para prover espaço para o vapor formado.

Cabeçotes de retorno:

- Espelho fixo: Tipos L, M e N são iguais aos cabeçotes estacionários A, B e C.
- Cabeçote flutuante ou tubo em U: são usados quando há um grande diferencial de temperatura entre os fluidos e torna-se necessário prover o trocador para a dilatação do feixe de tubos (P, S e T).

Trocadores com espelhos fixos:

- Construção simples.
- O fluido do lado do casco é limpo e não corrosivo (Não se consegue atingir o lado do casco, para limpeza mecânica e a limpeza química é as vezes insatisfatória).
- O diferencial de temperatura entre os fluidos não for grande.
- Pressão no lado do casco á alta comparada com a dos tubos.

Trocadores de cabeçote flutuante:

- Espelho é móvel, permite o movimento entre casco e tubos ou uma expansão térmica diferencial entre o feixe de tubos e o casco.

- O feixe de tubos pode ser removido para inspeção, limpeza exterior, ou troca dos tubos. Pode-se fazer a manutenção de cabeçotes, e outros componentes no lado do casco, e também fazer a limpeza no interior dos tubos.

Trocadores com tubos em U:

- Simplicidade de fabricação.
- Fácil remover o feixe de tubos, sendo portanto o tipo mais econômico.
- A seção dobrada em U é livre para expandir-se no lado casco.
- O fluido que escoa nos tubos deve ser limpo, devido à dificuldade de limpeza dos tubos dobrados.
- Difícil a substituição dos tubos individualmente.

Tamanho

Diâmetro nominal:

- Parte inteira, em polegadas, do número que mede o diâmetro interno do casco.
- Casco tipo K, deve-se usar a parte inteira do número que mede a gola ou garganta do casco, seguida da parte inteira do número que mede o diâmetro do casco propriamente dito.

Comprimento nominal:

- Comprimento dos tubos, em polegadas.
- Tubos em U o comprimento nominal é dado pela reta que vai da extremidade do tubo até a extremidade que passa pelo retorno do feixe.

Feixe de tubos

Tubos lisos:

- Diâmetros padrões: ¾ in, 1 in, 1 ¼ in, 1 ½ in e 2 in
- Comprimento padrão: 8, 10, 12, 16 e 20 ft

Tubos aletados:

- A superfície ampliada dos tubos vai depender do espaço, limpeza, manutenção, corrosão e custo.
- Os tubos aletados são classificados segundo:
- Orientação das aletas: transversais ou longitudinais em relação ao tubo base.
- Altura das aletas: tubos de alta aleta e tubos de baixa aleta.

Tubos em U:

- Problema na determinação do comprimento efetivo dos tubos para o cálculo da área de troca térmica.

Materiais de construção dos tubos e dimensões:

- Aço, cobre, latão, liga cobre - níquel, bronze alumínio e os aços inoxidáveis.
- As dimensões mais comuns são ¾ in e 1in de diâmetro externo.

Arranjo de tubos no espelho:

- Máximo de tubos numa dada seção transversal.
- Prover espaço para o escoamento do fluido do casco e para uma boa limpeza.
- Ângulo formado pela distribuição dos tubos no casco pode ser: 30, 45 e 90°.

Arranjo de 30° ou passo triangular:

- Para fluido do casco é limpo ou quando as incrustações podem ser removidas por tratamento químico.
- Maior perda de carga que o arranjo quadrado (45°).

Arranjo de 45° ou passo quadrado girado:

- Fácil limpeza mecânica externa.
- Coeficientes de transferência de calor menores que o triangular.

Arranjo de 90° ou passo quadrado:

- Indicado para regimes de escoamento turbulento quando baixa perda de carga é desejada.

passo - P menor distância de centro a centro de tubos adjacentes.

passo mínimo: 1,25xDe do tubo.

4. Arranjo dos tubos de 30,90 e 45°.

Espaçamento entre defletores

- Determina a velocidade efetiva do fluido no interior do casco.
- Para o espaçamento uniforme entre os defletores com boa distribuição de fluxo e suporte para os tubos.

1/5 Dic < Ld £ Dic

Percentagem de corte

Corte = (altura do segmento da janela/ diâmetro interno do casco). 
100 (%) corte de 25%: é um valor médio que serve aproximadamente para todas as situações.
Defletores longitudinais: quando o fluido do casco faz mais de uma passagem (¼ in de espessura).

Quebra-jato

proteção do feixe de tubos:

Fluidos não abrasivos e não corrosivos: rV2 >1500 - classe C.
Fluidos corrosivos e abrasivos rV2 <500 - classe R.

- Colocado abaixo do bocal de entrada do fluido do casco.
- Necessário a retirada de alguns tubos que ficam próximo ao bocal de entrada.

Projeto de trocadores de calor (características, fabricação, materiais) - Normas TEMA:

Classe R: condições severas de processamento de petróleo.

Classe C: condições moderadas de operação , aplicação comercial: refrigeração.

Classe B: serviços de processamento químico.