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Fornecedor Auditado Os permutadores de calor de conchas e tubos são um dos tipos mais populares de permutadores, devido à flexibilidade que o designer tem para permitir uma vasta gama de pressões e temperaturas. Existem duas categorias principais de Shell e permutador de tubos:
As que são utilizadas na indústria petroquímica que tendem a ser abrangidas por normas da TEMA, Associação de fabricantes de permutadores tubulares (ver NORMAS TEMA);
aqueles que são usados na indústria de energia, como aquecedores de água de alimentação e condensadores de centrais elétricas.
Independentemente do tipo de indústria, o permutador deve ser utilizado em várias características comuns (consulte condensadores).
Um permutador de tubos e reservatórios é constituído por vários tubos montados no interior de uma estrutura cilíndrica. A Figura 1 ilustra uma unidade típica que pode ser encontrada em uma fábrica petroquímica. Dois fluidos podem trocar calor, um fluido flui pela parte externa dos tubos enquanto o segundo fluido flui através dos tubos. Os fluidos podem ser monofásicos ou bifásicos e podem fluir em paralelo ou numa disposição de fluxo cruzado/contador.
O permutador de ar-ar e o reservatório são compostos por quatro partes principais:
Colhedor dianteiro - é aqui que o fluido entra no tuao lado do permutador. Por vezes, é referido como colhedor fixo.
Plataforma traseira - é onde o tuoao fluido sai do trocador ou onde é retornado à plataforma dianteira em trocadores com múltiplos tuoao lado das passagens.
Conjunto de tubos - inclui tubos, placas de tubos, deflectores e tirantes, etc., para manter o conjunto.
Shell - contém o conjunto de tubos.
O restante desta seção se concentra nos trocadores que são cobertos pela NORMA DE TEMA.
Essencialmente, existem três combinações principais
Permutadores fixos de folha de tubos
Permutadores de tubos em U.
Permutadores de colhedor flutuantes
Num permutador de folha de tubos fixo, a folha de tubos está soldada à protecção. Isto resulta numa construção simples e económica e os orifícios dos tubos podem ser limpos de forma mecânica ou química. No entanto, as superfícies exteriores dos tubos não estão acessíveis, excepto a limpeza química.
Se existirem grandes diferenças de temperatura entre o revestimento e os materiais do tubo, pode ser necessário incorporar um fole de expansão no invólucro, para eliminar tensões excessivas causadas pela expansão. Tais foles são frequentemente uma fonte de fraqueza e de falha no funcionamento. Em circunstâncias em que as consequências da falha são particularmente graves U-Tube ou unidades de plataforma flutuante são normalmente usadas.
Este é o mais barato de todos os projetos removíveis do pacote, mas é geralmente ligeiramente mais caro do que um projeto fixo da folha de tubo em pressões baixas.
Num permutador de tubos em U, pode ser utilizado qualquer tipo de colhedor dianteiro e o colhedor traseiro é normalmente um tipo M. Os tubos em U permitem uma expansão térmica ilimitada, o conjunto de tubos pode ser removido para limpeza e podem ser obtidas pequenas folgas entre o conjunto e o reservatório. No entanto, uma vez que a limpeza interna dos tubos por meios mecânicos é difícil, é normal utilizar este tipo apenas quando os fluidos laterais do tubo estiverem limpos.
Neste tipo de trocador, a folha de tubos na extremidade traseira da Plataforma não é soldada à carcaça, mas pode se mover ou flutuar. A folha de tubo no colhedor dianteiro (extremidade de entrada de fluido do lado do tubo) tem um diâmetro superior ao da concha e está vedada de forma semelhante à utilizada no design da folha de tubos fixa. A folha de tubo na extremidade traseira do colhedor da capa tem um diâmetro ligeiramente inferior ao da capa, permitindo que o conjunto seja puxado através da capa. A utilização de uma cabeça flutuante significa que a expansão térmica pode ser permitida para e o conjunto de tubos pode ser removido para limpeza. Existem vários tipos de colhedor traseiro que podem ser utilizados, mas o S-Type Rear Head (cabeça traseira do S-Type) é o mais popular. Um trocador de cabeça flutuante é adequado para os rigorosos trabalhos associados a altas temperaturas e pressões, mas é mais caro (normalmente de 25% para construção de aço carbono) do que o trocador de folha de tubos fixo equivalente.
Considerando cada tipo de plataforma e de concha, por sua vez:
Este tipo de colhedor é fácil de reparar e substituir. Permite também o acesso aos tubos para limpeza ou reparação sem ter de perturbar a tubagem. No entanto, ele tem duas vedações (uma entre a folha de tubo e a plataforma e a outra entre a plataforma e a placa final). Isto aumenta o risco de fuga e o custo do colhedor sobre um colhedor dianteiro tipo B.
Este é o tipo mais barato de plataforma dianteira. Também é mais adequado do que o colhedor dianteiro DO TIPO A para tarefas de alta pressão, porque o colhedor tem apenas um vedante. Uma desvantagem é que para obter acesso aos tubos requer perturbação no trabalho do tubo para remover o colhedor.
Este tipo de colhedor destina-se a aplicações de alta pressão (> 100 bar). Permite o acesso ao tubo sem perturbar o trabalho do tubo, mas é difícil reparar e substituir porque o conjunto do tubo é parte integrante do colhedor.
Este é o tipo mais caro de plataforma dianteira. É para pressões muito elevadas (> 150 bar). Permite o acesso aos tubos sem perturbar o trabalho do tubo, mas é difícil reparar e substituir, uma vez que o conjunto do tubo é parte integrante do colhedor.
A vantagem deste tipo de colhedor é que os tubos podem ser acedidos sem perturbar o trabalho dos tubos e é mais barato do que um colhedor dianteiro DO TIPO A. No entanto, são difíceis de manter e substituir, uma vez que o colhedor e a folha do tubo são parte integrante do revestimento.
Estritamente falando este não é um TIPO DESIGNADO TEMA mas é geralmente reconhecido. Pode ser utilizado como colhedor dianteiro ou traseiro e quando o permutador deve ser utilizado numa linha de tubos. É mais barato do que outros tipos de colhedores, uma vez que reduz os custos com tubagens. É usado principalmente com unidades single tube pass embora com particionamento adequado qualquer número ímpar de passagens pode ser permitido.
Este é o tipo de concha mais utilizado, adequado para a maioria das tarefas e aplicações. Outros tipos de shell tendem a ser usados somente para tarefas ou aplicações especiais.
Isto é geralmente utilizado quando é necessário um fluxo de contracorrente puro numa unidade de passagem lateral de dois tubos. Isto é conseguido através de duas passagens laterais dos reservatórios - as duas passagens são separadas por um deflector longitudinal. O principal problema com este tipo de unidade é o vazamento térmico e hidráulico ao longo deste defletor longitudinal, a menos que precauções especiais sejam tomadas.
Isto é usado para recaldeiras horizontais de termosifão e aplicações onde a queda de pressão do lado da concha precisa ser mantida pequena. Isto é conseguido dividindo o fluxo do shellside.
Isto é utilizado para aplicações semelhantes à Shell do tipo G, mas tende a ser utilizado quando são necessárias unidades maiores.
Isto tende a ser utilizado quando a queda de pressão máxima admissível é excedida numa Shell de tipo e, mesmo quando são utilizados defletores segmentais duplos. Também é utilizado quando a vibração do tubo é um problema. O fluxo dividido na parte da concha reduz as velocidades de fluxo sobre os tubos e, portanto, reduz a queda de pressão e a probabilidade de vibração do tubo. Quando existem dois bocais de entrada e um bocal de saída, este é por vezes designado por Shell do tipo I.
Isso é usado somente para as caldeiras de recuperação para fornecer um grande espaço de desengate, a fim de minimizar o transporte de líquidos do lado da concha. Alternativamente, pode ser utilizada uma Shell do tipo K como um refrigerador. Neste caso, o processo principal é arrefecer o líquido do lado do tubo fervendo um líquido do lado da concha.
Isto é utilizado se a queda de pressão máxima do lado da concha for excedida por todas as outras combinações de tipo de concha e defletor. As principais aplicações são condensadores do lado da shell e arrefecedores de gás.
Este tipo de colhedor destina-se apenas a ser utilizado com tubos fixos, uma vez que a placa de tubos está soldada ao revestimento e não é possível aceder ao exterior dos tubos. As principais vantagens deste tipo de colhedor são que é possível aceder ao interior dos tubos sem ter de remover quaisquer tubagens e as folgas entre o conjunto e o reservatório são pequenas. A principal desvantagem é que um fole ou um rolo de expansão são necessários para permitir grandes expansões térmicas e isso limita a temperatura e pressão de funcionamento permitidas.
Este tipo de plataforma é semelhante à plataforma traseira do tipo L, mas é um pouco mais barato. No entanto, o colhedor tem de ser removido para ter acesso ao interior dos tubos. Mais uma vez, devem ser tomadas medidas especiais para lidar com grandes expansões térmicas e isso limita a temperatura e a pressão de funcionamento permitidas.
A vantagem deste tipo de colhedor é que os tubos podem ser acedidos sem perturbar o trabalho dos tubos. No entanto, são difíceis de manter e substituir, uma vez que o colhedor e a folha do tubo são parte integrante do revestimento.
Este é um colhedor traseiro flutuante embalado no exterior. É, em teoria, um projeto de cabeça flutuante de baixo custo que permite o acesso ao interior dos tubos para limpeza e também permite que o pacote seja removido para limpeza. Os principais problemas com este tipo de plataforma são:
folgas entre o conjunto grande e o reservatório necessárias para puxar o conjunto;
é limitada a fluidos não perigosos de baixa pressão, porque é possível que o fluido da marellside vaze através dos anéis de vedação;
apenas são permitidas pequenas expansões térmicas.
Na prática, não se trata de um desenho de baixo custo, porque o reservatório tem de ser enrolado a pequenas tolerâncias para que a embalagem seja eficaz.
Este é um colhedor traseiro flutuante com dispositivo de apoio. É o mais caro dos tipos de cabeças flutuantes, mas permite que o pacote seja removido e é possível uma expansão térmica ilimitada. Também tem um revestimento mais pequeno para juntar folgas do que os outros tipos de cabeça flutuante. No entanto, é difícil desmontar para puxar o conjunto e o diâmetro do invólucro e as folgas entre o conjunto e o reservatório são maiores do que para permutadores fixos do tipo cabeça.
Esta é uma passagem através da cabeça flutuante. É mais barato e mais fácil remover o conjunto do que com o colhedor traseiro S-Type, mas ainda permite uma expansão térmica ilimitada. No entanto, tem a maior folga entre o feixe e o invólucro de todos os tipos de cabeças flutuantes e é mais cara do que os tipos de cabeças fixas e de tubos em U.
Este é o mais barato de todos os projetos removíveis do pacote, mas é geralmente ligeiramente mais caro do que um projeto fixo da folha de tubo em pressões baixas. No entanto, permite uma expansão térmica ilimitada, permite que o pacote seja removido para limpar o exterior dos tubos, tem o pacote mais apertado para folgas do reservatório e é o projeto mais simples. Uma desvantagem do design do tubo em U é que não pode ter normalmente um contracorrente puro a menos que seja utilizada uma Shell do F-Type. Além disso, os designs de tubos em U estão limitados a um número uniforme de passagens de tubos.
Esta é uma folha de tubos flutuante com anel de lanterna. É o mais barato dos projetos de cabeça flutuante, permite uma expansão térmica ilimitada e permite que o conjunto de tubos seja removido para limpeza. Os principais problemas com este tipo de cabeça são:
as folgas entre o conjunto grande e o reservatório necessárias para puxar o conjunto e;
a limitação a fluidos não perigosos de baixa pressão (porque é possível que ambos os fluidos vazem através dos anéis de vedação).
Também é possível misturar os fluidos laterais do tubo e do reservatório se ocorrer uma fuga.
Os defletores são instalados no lado do revestimento para proporcionar uma taxa de transferência de calor mais elevada devido a maior turbulência e para suportar os tubos, reduzindo assim a possibilidade de danos devido a vibração. Existem vários tipos de deflectores diferentes, que suportam os tubos e promovem o fluxo através dos tubos. A Figura 5 mostra os seguintes arranjos de defletor:
Segmento único (este é o mais comum),
Segmento duplo (utilizado para obter uma velocidade mais baixa do lado da concha e uma queda de pressão),
Disco e Donut.
A distância centro-a-centro entre os defletores é chamada de distância entre os defletores e isso pode ser ajustado para variar a velocidade de fluxo cruzado. Na prática, o passo do deflector não é normalmente superior a uma distância igual ao diâmetro interior do revestimento ou inferior a uma distância igual a um quinto do diâmetro ou 50.8 mm (2 pol.), consoante o que for maior. Para permitir que o fluido flua para trás e para a frente através da parte dos tubos do deflector, é cortado. A altura desta peça é referida como o corte do deflector e é medida como uma percentagem do diâmetro do reservatório, por exemplo, 25 por cento de corte do deflector. O tamanho do defletor-corte (ou janela do defletor) precisa ser considerado junto com o passo do defletor. É normal dimensionar o corte do defletor e o espaçamento do defletor para igualar aproximadamente as velocidades através da janela e no fluxo cruzado, respectivamente.
Existem dois tipos principais de deflector que fornecem fluxo longitudinal:
Deflector do orifício,
Deflector da haste.
Nestes tipos de defletor, a turbulência é gerada à medida que o fluxo atravessa o defletor.
Existem três tipos principais.
Estes tendem a ser usados promover a ebulição do nucleate quando a força dirigindo da temperatura é pequena.
Normalmente, estas são inserções enroladas em arame ou fitas torcidas. Normalmente são utilizados com fluidos de viscosidade média a alta para melhorar a transferência de calor aumentando a turbulência. Há também algumas provas de que reduzem a obstrução. Para utilizar estes dispositivos de forma mais eficaz, o permutador deve ser concebido para a sua utilização. Isto geralmente implica aumentar o diâmetro do invólucro, reduzindo o comprimento do tubo e o número de tufos para permitir o aumento das características de perda de pressão dos dispositivos.
Estes são utilizados para aumentar a área de transferência de calor quando um fluxo tem um baixo coeficiente de transferência de calor. O tipo mais comum é "tubo de barbatana baixa" , onde normalmente as aletas têm 1.5 mm de altura a 19 aletas por polegada. (Consulte também aumento da transferência de calor.)
Em muitos casos, a única forma de garantir uma seleção ótima é fazer um projeto completo com base em várias geometrias alternativas. No entanto, em primeiro lugar, devem ser tomadas várias decisões importantes relativas:
atribuição de fluidos à marshellside e tuoside;
selecção do tipo de concha;
selecção do tipo de colhedor dianteiro;
selecção do tipo de colhedor traseiro;
selecção da geometria do permutador.
Em grande medida, estes dependem frequentemente uns dos outros. Por exemplo, a atribuição de um fluido sujo à marshellside afeta diretamente a seleção do layout do tubo do trocador.
Ao decidir qual lado alocar os fluidos quentes e frios, os seguintes itens precisam ser levados em consideração, por ordem de prioridade.
Considere qualquer aspecto de segurança e fiabilidade e atribua os fluidos em conformidade. Nunca atribua fluidos perigosos, tais como estes, que estejam contidos em outras juntas que não as uniões aparafusadas e com gás convencionais ou soldadas.
Certifique-se de que a atribuição de fluidos está em conformidade com as práticas de engenharia estabelecidas, especialmente as estabelecidas nas especificações do cliente.
Depois de cumprir as condições acima, atribua o fluido que possa causar os problemas de limpeza mecânica mais graves (se existirem) ao tuao.
Se nenhuma das opções acima for aplicável, a atribuição dos fluidos só deve ser decidida após a execução de dois designs alternativos e a selecção do mais barato (Isso é demorado se cálculos manuais forem usados, mas programas como o TASC do serviço de transferência de calor e fluxo de fluido (HTFS) fazem dessa tarefa uma tarefa trivial).
Os shells do tipo e são os mais comuns. Se for utilizada uma passagem de tubo simples e existir mais de três defletores, é alcançado um fluxo de contra-corrente próximo. Se forem utilizadas duas ou mais passagens de tubo, não é possível obter um fluxo de contracorrente puro e a diferença de temperatura média do registo deve ser corrigida para permitir um fluxo combinado de cocorrente e de contracorrente utilizando um factor F.
Normalmente, os reservatórios tipo G e os reservatórios H são especificados apenas para as caldeiras de água termosifão horizontais. Os revestimentos J e os revestimentos X-TYPE devem ser seleccionados se o DP admissível não puder ser instalado num design razoável do tipo E. Para serviços que requerem vários reservatórios com conjuntos amovíveis, os reservatórios do F-TYPE podem proporcionar poupanças significativas e devem ser sempre considerados desde que não sejam proibidos pelas especificações do cliente
O colhedor dianteiro DO TIPO A é o padrão para fluidos tufados sujos e o tipo B é o padrão para fluidos tufados limpos. O TIPO A também é preferido por muitos operadores, independentemente da limpeza do tuoao fluido, caso seja necessário acesso aos tubos. Não utilize outros tipos, a menos que as seguintes considerações se apliquem.
Uma cabeça tipo C com concha amovível deve ser considerada para tufos perigosos, feixes pesados ou serviços que exijam limpeza frequente do lado da concha. A cabeça do tipo N é utilizada quando se encontram fluidos perigosos no tuao lado. Uma cabeça tipo D ou uma cabeça tipo B soldada à folha de tubos é utilizada para aplicações de alta pressão. Os cabeçotes do tipo Y são normalmente usados somente para trocadores de passagem única quando são instalados em linha com uma tubulação.
Para o serviço normal, pode ser utilizado um colhedor fixo (tipos L, M, N), desde que não haja um excesso de esforço devido à expansão diferencial e a marellside não necessite de limpeza mecânica. Se a expansão térmica for provável que um coletor fixo com um fole possa ser usado desde que o fluido do shellside não seja perigoso, a pressão do shellside não excede 35 bar (500 psia) e o shellside não requererá a limpeza mecânica.
Uma unidade de tubo em U pode ser utilizada para resolver problemas de expansão térmica e permitir que o conjunto seja removido para limpeza. No entanto, o fluxo de contracorrente só pode ser obtido utilizando um revestimento do tipo F e a limpeza mecânica do tuoao pode ser difícil.
Deve ser utilizada uma cabeça flutuante do tipo S quando for necessário permitir a expansão térmica e o acesso a ambos os lados do permutador for necessário para a limpeza. Outros tipos de cabeças traseiras não seriam normalmente considerados, excepto nos casos especiais.
Para a indústria de processos, 19.05 mm (3/4 ") tendem a ser os mais comuns.
Para decidir isto, deve ser feita referência a um código de reservatório de pressão reconhecido.
Para uma determinada área de superfície, quanto mais tempo o tubo tiver mais barato, mais tempo o trocador, embora um trocador fino longo possa não ser viável.
os esquemas de 45 ou 90 graus são escolhidos se for necessária uma limpeza mecânica, caso contrário, é frequentemente seleccionado um esquema de 30 graus, porque proporciona uma transferência de calor mais elevada e, consequentemente, um permutador mais pequeno.
O menor passo permitido de 1.25 vezes o diâmetro exterior do tubo é normalmente utilizado, a menos que seja necessário utilizar um passo maior devido à limpeza mecânica ou à soldadura da extremidade do tubo.
Normalmente, este é um número ou mesmo (normalmente não superior a 16). O aumento do número de passagens aumenta o coeficiente de transferência de calor, mas deve ter-se cuidado para garantir que a ρv2 lateral do tubo não seja superior a cerca de 10,000 kg/m·s2.
O tubo padrão é normalmente utilizado para diâmetros de revestimento até 610 mm (24"). Acima disto, o reservatório é feito de chapa enrolada. Normalmente, os diâmetros do revestimento variam de 152 mm a 3000 mm (6" a 120").
Por predefinição, são utilizados defletores segmentais únicos, mas outros tipos são considerados se as restrições de queda de pressão ou a vibração forem um problema.
Isto é decidido depois de tentar equilibrar o desejo de uma velocidade de fluxo cruzado e suporte do tubo (menor passo do defletor) e restrições de queda de pressão (maior passo do defletor). A TEMA fornece orientação sobre o passo máximo e mínimo do defletor.
Isso depende do tipo de defletor, mas é tipicamente 45% para defletores segmentais simples e 25% para defletores segmentais duplos.
Para bicos do lado da marshellside, a ρv2 não deve ser maior que cerca de 9000 em kg/m·s2. Para tufos, a ρv2 máxima não deve exceder 2230 kg/m·s2 para fluidos não corrosivos, não abrasivos monofásicos e 740 kg/m·s2 para outros fluidos. A protecção contra impunement é sempre necessária para gases corrosivos ou abrasivos, vapores saturados e misturas de duas fases. As áreas de entrada ou saída do casco ou do feixe devem ser concebidas de modo a · que não seja excedido um ρv2 de 5950 kg/m s2.
Em geral, os permutadores de reservatórios e tubos são feitos de metal, mas para aplicações especializadas (por exemplo, que envolvam ácidos fortes ou produtos farmacêuticos) podem ser utilizados outros materiais, tais como grafite, plástico e vidro.
O projeto térmico de um trocador de tubos e de conchas é um processo iterativo que normalmente é executado usando programas de computador de organizações como o serviço de transferência de calor e fluxo de fluido (HTFS) ou a pesquisa de transferência de calor incorporada (HTRI). No entanto, é importante que o engenheiro compreenda a lógica por trás do cálculo. Para calcular os coeficientes de transferência de calor e as quedas de pressão, devem ser tomadas decisões iniciais nos lados em que os fluidos são atribuídos, o tipo de colhedor dianteiro e traseiro, tipo de revestimento, tipo de deflector, diâmetro do tubo e disposição do tubo. O comprimento do tubo, o diâmetro do invólucro, o passo do defletor e o número de passagens do tubo também são selecionados e estes são normalmente os principais itens que são alterados durante cada iteração para maximizar a transferência de calor total dentro das quedas de pressão permitidas especificadas.
Os principais passos no cálculo são apresentados abaixo, juntamente com os métodos de cálculo na literatura aberta:
Calcule a distribuição do fluxo do lado da shell [Use o método Bell-Delaware, veja Hewitt, Shires, e Bott (1994)].
Calcular o coeficiente de transferência de calor do lado da shell (usar o método Bell-Delaware)
Calcule o coeficiente de transferência de calor tuao lado (consulte, por exemplo , tubos: Transferência de calor monofásica na).
Calcule o tudoao lado da queda de pressão (consulte, por exemplo, queda de pressão, fase única).
Calcule a resistência da parede e o coeficiente geral de transferência de calor (consulte o coeficiente geral de transferência de calor e a obstrução).
Calcule a diferença média de temperatura (consulte diferença média de temperatura).
Calcule a área necessária.
Compare a área necessária com a área da geometria assumida e permitiu queda de pressão do tuao e do lado da shell com os valores calculados.
Ajuste a geometria assumida e repita os cálculos até que a Área necessária seja alcançada dentro das quedas de pressão permitidas.
Livros de E. A. D. Saunders [Saunders (1988)] e G. F. Hewitt, G. L. Shires e T. R. Bott [Hewitt et al (1994)] fornece uma boa visão geral dos métodos de design térmico tubular e cálculos de exemplo.
O projeto mecânico de um trocador de calor de tubo e invólucro fornece informações sobre itens como espessura do invólucro, espessura do flange, etc. esses itens são calculados usando um código de projeto de vaso de pressão, como o código de caldeira e vaso de pressão da ASME (American Society of Mechanical Engineers) E a Norma Britânica de reservatório de pressão Principal, BS 5500. O ASME é o código mais comumente usado para trocadores de calor e está em 11 seções. A secção VIII (recipientes de pressão confinada) do código é a mais aplicável aos permutadores de calor, mas as secções II - materiais e a secção V - testes não destrutivos são também relevantes.
Tanto o ASME como o BS5500 são amplamente utilizados e aceites em todo o mundo, mas alguns países insistem que os seus próprios códigos nacionais são utilizados. Para tentar simplificar isso, a Organização Internacional de Normalização está agora a tentar desenvolver um novo código internacionalmente reconhecido, mas é provável que seja algum tempo antes de este ser aceite.
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