Entre a variada gama de equipamentos de transferência de calor utilizados na indústria moderna,O trocador de calor de casca e tubo destaca-se como a solução mais amplamente adotada no processamento químico e na produção de álcoolA sua popularidade duradoura decorre de um projecto robusto mas adaptável que se adapta a altas pressões, temperaturas extremas,e fluidos de processo agressivos ¥ tudo isso mantendo-se relativamente simples de fabricar, limpar e manter.
Um trocador de calor de casca e tubo compreende cinco componentes principais, cada um com uma função distinta no processo de transferência térmica:
| Componente | Descrição |
|---|---|
| Concha | O recipiente cilíndrico externo que envolve o feixe do tubo e dirige o fluxo de fluido do lado da concha. |
| Folha de tubo | Uma placa perfurada espessa na qual os tubos de transferência de calor são expansos ou soldados mecanicamente.formando uma barreira à prova de vazamento entre os dois fluxos de processo. |
| Tubos de transferência de calor | A superfície primária de troca de calor onde a energia térmica passa do fluido mais quente para o fluido mais frio através das paredes do tubo.e arranjo de passo são projetados para equilibrar a eficiência de transferência de calor com restrições de queda de pressão. |
| Cabeça (Cobre do canal) | Montada em cada extremidade do trocador, a cabeça distribui o fluido do lado do tubo em tubos individuais e o recolhe à saída.Os projetos de passagem múltipla usam placas de divisão dentro da cabeça para direcionar o fluido através de grupos de tubos sequenciais. |
| Placas de deflexão | Placas segmentadas posicionadas ao longo do comprimento do feixe de tubos para suportar os tubos contra vibrações e flacidez,enquanto simultaneamente direcionando o fluido do lado da concha em um padrão de fluxo cruzado que aumenta os coeficientes de transferência de calor por convecção. |
A lógica operacional de um trocador de calor de casca e tubo gira em torno de dois caminhos de fluxo distintos que permanecem fisicamente separados pelas paredes do tubo:
O arranjo de contracorrente ou de fluxo cruzado entre os dois fluxos maximiza a diferença de temperatura média logarítmica (LMTD),que rege diretamente a eficiência térmica do trocador e a área de transferência de calor necessária.
Uma das decisões de projeto mais críticas é determinar qual fluido deve viajar pelo lado do tubo e qual pelo lado da casca.Os engenheiros seguem sete princípios bem estabelecidos de seleção para otimizar o desempenho, segurança e manutenção:
Fluidos que sãoImpuros ou propensos a impurezas e escamasA condução recta dos tubos permite a limpeza mecânica com escovas, raspadores,ou jatos de água de alta pressão uma operação que é muito mais difícil de executar no lado da concha devido à geometria complexa da defleção e do feixe de tubos.
Fluidos corrosivosEsta estratégia de protecção limita a corrosão aos tubos e aos componentes dos canais, que podem ser selectivamente atualizados para liga resistentes à corrosão,enquanto o corpo da carcaça pode permanecer fabricado em aço carbono padrão, evitando a degradação simultânea do feixe de tubo e do envelope de pressão.
Fluidos que operam apressão elevadaOs tubos de pequeno diâmetro suportam a alta pressão interna de forma muito mais eficiente do que um invólucro de grande diâmetro.Reduzir drasticamente a espessura da parede necessária e o peso total do equipamentoEste princípio é uma consequência direta da equação de tensão do aro, onde a tensão aumenta proporcionalmente ao diâmetro do recipiente.
Vapores saturados e outros vapores de condensação limposO vapor saturado é inerentemente limpo e não contamina as superfícies de transferência de calor.O coeficiente de transferência de calor por convecção do lado da casca para vapor de condensação é amplamente independente da velocidade de fluxoO grande volume da casca também facilita uma drenagem eficiente do condensado sob gravidade.
Fluidos queRequer refrigeração ou dissipação de calorbenefício de ser colocado no lado da concha, onde a maior superfície externa do corpo da concha irradia naturalmente calor para o ambiente circundante,Complementação do processo de troca de calor primário.
Quando oA diferença de temperatura entre os dois fluidos é substanciale o trocador utiliza uma construção rígida (folha de tubo fixa), o fluido com o maior coeficiente de transferência de calor por convecção deve ser dirigido através do lado da casca.Este arranjo reduz o gradiente térmico através da parede do tubo e minimiza tensões de expansão térmica diferencial que poderiam conduzir a falha da articulação de folha de tubo a tubo.
Fluidos caracterizados porbaixos caudais volumétricos e alta viscosidadeA passagem de fluxo do lado da concha oferece uma área de secção transversal maior, o que resulta em menor velocidade do fluido e redução da queda de pressão.Isto é particularmente importante para óleos viscosos, polímeros e líquidos de processo concentrados em que os custos de bombeamento seriam proibitivos.
Os trocadores de calor de concha e tubo podem ser fabricados a partir de uma variedade de materiais para se adequarem a diversos ambientes de processo.Aço carbonooferece uma solução económica para aplicações não corrosivas a temperaturas moderadas.De cobre e ligas de cobreProporcionam uma excelente condutividade térmica e uma resistência natural à impureza biológica, tornando-os ideais para serviços de água limpa e de baixa temperatura.De aço inoxidávelAs classes (304, 316, duplex) oferecem uma resistência à corrosão superior para ambientes químicos agressivos, processos de alta pureza e tarefas de temperatura elevada na indústria petroquímica, farmacêutica,e indústrias de destilação de álcool.
Os trocadores de calor de concha e tubo continuam a ser a espinha dorsal do processamento térmico nos setores químico, petroquímico, produção de álcool, geração de energia e HVAC.A sua capacidade de lidar com capacidades de alguns quilowatts a centenas de megawatts, combinado com uma fabricação simples, fiabilidade comprovada e normas de projeto bem codificadas (TEMA, ASME, API 660),garante a sua continuação como a solução preferida da indústria para transferência de calor.
