Permutadores de carcaça e tubos

Realizado por Carolina Silva e Margarida Fernandes. Integração e Intensificação de Processos, Mestrado Integrado em Engenharia Química, 2016/2017

O que são e para que servem?

Os 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. Entre os diversos tipos de permutadores, os permutadores de carcaça e tubos (shell & tube) são provavelmente os mais usados.

Constituição dos permutadores de 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 dos permutadores de carcaça e tubos.

Fatores que afetam o desempenho dos permutadores

1. Disposição dos tubos
A disposição dos tubos afeta a velocidade de transferência de calor, a perda de carga e a facilidade de limpeza. Com o primeiro arranjo 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.
2. 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.

Fluído	Rfouling
Água destilada, do mar ou rio tratada
-Abaixo de 50ºC	0.0001
-Acima de 50ºC	0.0002
Vapor de água	0.0001
Ar	0.0004
Óleo combustível	0.0009

Vantagens / desvantagens:

-Levada área de superficial num pequeno volume.

-Limpeza difícil, sobretudo na carcaça.

-Funcionamento a alta pressão.

-Pode ser construído com uma elevada gama de materiais. 

Utilidades

As utilidades utilizadas neste tipo de permutadores são:

- 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.

Permutadores Carcaça e tubos
Fluído quente	Fluído Frio	U ( W/m^2ºC)
Vapor	Água	1500-4000
Óleo térmico (pesado)	Água	60-300
Óleo térmico (leve)	Água	350-900
Água	Água	800-1500

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.

Referências

[1] https://www.google.pt/search?q=prermutador+de+calor+shell+and+tube&espv=2&biw=1366&bih=662&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjZxL_X96bSAhXFORoKHbk4CjsQ_AUIBigB#imgrc=ChOhZrSh36TBcM

[2]https://www.google.pt/search?q=chicanas&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwi36_eU7KbSAhWBkhQKHcBeBgYQ_AUICCgB&biw=1366&bih=662#tbm=isch&q=baffles+heat+exchanger&imgrc=nNgFZ6oAc_lBRM:

http://www.flucal.pt/pt/area/permutadores-de-calor/

[4] Carvalho Graça, aulas de Fenómenos de Transferência II, Capítulo 9: Variação de temperatura no espaço e no tempo (2011/2012).

[5] Çengel, Y.; A. Ghajar, A. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications. McGraw-Hill Inc., N.Y. , 2010.