Permutadores de carcaça e tubos

O que são e para que servem?

Permutadores de calor são equipamentos usados em inúmeras instalações industriais (sistemas de refrigeração, ar condicionado, produção de energia, processos químicos) com o propósito de aquecer, arrefecer ou condensar uma série de fluidos, no fundo são equipamentos de transferência de calor. Dentro de toda a gama de permutadores, este é o tipo mais usado.

Constituição do permutador carcaça e tubos

Um permutador de carcaça e tubos, consiste num feixe de tubos encaixados numa carcaça/invólucro cilíndrica, com separadores que separaram o fluido dos dois lados dos tubos. São utilizadas chicanas ao longo da carcaça, que permitem suportar os tubos e dirigir o fluido contra os tubos, aumentando assim a transferência de calor. As chicanas por sua vez são suportadas por varas de suporte e espaçadores.

A configuração mais utilizada é a primeira, figura 2, o espaçamento ótimo entre chicanas está normalmente entre 0.3 e 0.5 vezes o diâmetro da carcaça, quanto mais justo for o espaçamento maior a transferência de calor, mas consequentemente maior a perda de carga.

A fabricação de permutadores segue uma série de normas e códigos, quer para a dimensão dos tubos quer para as do involucro. Ex : TEMA, ASME, API etc…

No geral são utilizados tubos com diâmetros pequenos, de forma a reduzir o preço do permutador, em contrapartida estes são mais difíceis de limpar, o fluido a circular dentro dos tubos deve ser o mais sujo com tendência a formar incrustações, o mais corrosivo e mais toxico, o que está a maior pressão, aquele com maior temperatura e viscosidade, muitas das vezes estes requisitos entram em conflito!

Os permutadores de carcaça e tubos podem ter varias configurações

· Tubos em forma de U

· Placas de tubos fixas

· Cabeça flutuante

Modo de funcionamento

https://www.youtube.com/watch?v=IcxKCTRA2qE

Fatores que afetam a performance dos permutadores

a) Disposição dos tubos

A disposição dos tubos afeta a velocidade de transferência de calor, a perda de carga e  a facilidade de limpeza.

No primeiro tem-se uma maior facilidade de limpeza, e uma menor perda de pressão

No segundo arranjo tem-se um maior coeficiente de transferência de calor, mas uma maior diferença de pressão no lado da carcaça, não e recomendável se for necessária limpeza mecânica.

·        b)Fouling

Fouling é a resistência devido à formação de depósitos de materiais que irão baixar significativamente o desempenho. Logo é necessário ter em conta estes fatores  de sujidade/ resistências

Vantagens / desvantagens:

-Levada área de superficial num pequeno volume

-Limpeza difícil, sobretudo na carcaça

-Funcionamento a alta pressão

-Pode ser contruído com uma elevada gama de materiais 

Exemplo de utilidades usadas nos permutadores Shell and tube :

- Água quente

-Ar quente

- Água sobreaquecida

-Vapor saturado

-Vapor sobreaquecido

-Solventes orgânicos

-Óleos leves/pesados

Na tabela seguinte são apresentadas as utilidades e os respetivos coeficientes globais de transferência de calor, neste tipo de permutadores.

A seleção destas utilidades a utilizar no permutador tem em conta: o tipo de industria em que esta inserido o sistema em causa e os requisitos pretendidos (exemplo:  Temperatura, pressão, potência exigidas, estabilidade térmica, capacidade térmica, viscosidade ), exemplos:

A água e o ar quente são as utilidades normalmente usadas quando pretendemos aquecer algum líquido num permutador, são ambos fluidos com uma elevada estabilidade térmica, e com um baixo custo de operação.

O vapor a alta pressão é aquele que oferece um maior coeficiente de transferência de calor em contrapartida o ar é o que possui um menor coeficiente

Já o óleo térmico tem a vantagem de funcionar em baixa pressão, embora com um baixo coeficiente de transferência de calor, e uma variação de viscosidade e densidade com a alteração da temperatura,  os custos de operação e o investimento são elevados.

 

Custos de investimento

Tendo em conta que 1 ft² = 0.929 m, e que hoje em dia um dólar é aproximadamente 0.944 euros.

É possível observar que o custo de um permutador segue uma escala logarítmica em função da sua área de superfície. Aumentando significativamente a partir de 1000 ft².