Exemplos de cálculo do consumo de vapor para permutadores de vapor industriais

Neste artigo, os diferentes tipos de permutadores de calor industriais são explicados e comparados, juntamente com os cálculos de consumo de vapor e outros tópicos de interesse para os engenheiros de instalações, como a relevância da carga inicial.

 

O que é um permutador de calor de vapor para aquecer fluidos de processo?

O termo "permutador de calor" é estritamente aplicado a todos os tipos de equipamentos em que se promove a transferência de calor de um meio para outro. Um radiador doméstico, onde a água quente cede o seu calor ao ar ambiente, pode ser descrito como um permutador de calor. Do mesmo modo, uma caldeira de vapor industrial, em que os gases de combustão cedem o seu calor à água para se obter a evaporação, pode ser descrita como um permutador de calor de combustão.

No entanto, o termo é frequentemente aplicado mais especificamente a permutadores de calor de casco e tubo ou a permutadores de calor de placas, em que um fluido primário, como o vapor, é utilizado para aquecer um fluido de processo. Um permutador de calor de casco e tubos utilizado para aquecer água para aquecimento ambiente (utilizando vapor ou água) é frequentemente referido como um "calorificador sem armazenamento". (Um permutador de calor com armazenamento, como mostrado na Figura 2.13.1, é construído de forma diferente e geralmente consiste num recipiente de armazenamento de água quente com uma serpentina de aquecimento primário no interior).

Os fabricantes fornecem frequentemente uma classificação térmica para os seus permutadores de calor em kW e, a partir daí, o consumo de vapor pode ser determinado, como no caso das serpentinas de aquecimento do ar. No entanto, os permutadores de calor (especialmente os permutadores de calor de casco e tubo) são frequentemente demasiado grandes para os sistemas que devem servir.

A esquentador sem depósito (como se mostra na Figura 2.13.2) serão geralmente seleccionados a partir de uma gama normalizada de tamanhos e podem frequentemente ter uma capacidade muito superior à prevista no projeto. Para o aquecimento de água quente em edifícios, podem também ser incluídos certos factores de segurança nos cálculos da carga térmica.

Os permutadores de calor de placas também podem ser escolhidos a partir de uma gama padrão de tamanhos se as unidades forem soldadas ou brasadas. No entanto, há mais flexibilidade no dimensionamento de permutadores de calor de placas com juntas, onde as placas podem ser frequentemente adicionadas ou removidas para atingir a área de transferência de calor desejada. Em muitos casos, os permutadores de calor de placas são sobredimensionados simplesmente para reduzir a queda de pressão do fluido secundário.

CONTEÚDO ÚTIL - COMO É CALCULADO O CONSUMO DE VAPOR INDUSTRIAL?

Nas instalações existentes, pode obter-se uma indicação da carga real se as temperaturas de ida e de retorno e a velocidade de bombagem forem conhecidas. No entanto, é importante notar que o caudal indicado na placa de identificação da bomba está provavelmente relacionado com uma cabeça de pressão que pode ou não estar presente na prática.

 

Cálculos de consumo de vapor para permutadores de calor

Os permutadores de calor de casco e tubo e os permutadores de calor de placas são exemplos típicos de aplicações de fluxo. Por conseguinte, ao determinar o consumo de vapor para estas aplicações, deve ser utilizada a Equação 2.6.5.

A carga de arranque pode ser ignorada se ocorrer raramente ou se o tempo necessário para atingir a carga total não for muito importante. Os permutadores de calor são frequentemente dimensionados de acordo com a carga total de funcionamento, com a possível adição de factores de segurança.

As perdas de calor raramente são tidas em conta nestas aplicações de tipo caudal, uma vez que são significativamente inferiores à carga total de funcionamento. Os permutadores de calor de casco e tubo são normalmente isolados para evitar perdas de calor e prevenir possíveis ferimentos no pessoal. Os permutadores de calor de placas tendem a ser mais compactos e têm uma área de superfície muito menor exposta ao ar ambiente em relação ao tamanho da unidade.

CONTEÚDO ÚTIL - MÉTODOS DE CÁLCULO DO CONSUMO DE VAPOR EM INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS

 

Exemplo de cálculo de consumo de vapor para permutadores de calor

Determinar a carga térmica e a carga de vapor da próxima caldeira de aquecimento sem armazenamento.

Um calorificador de aquecimento é concebido para funcionar a plena carga com vapor a 2,8 bar g no espaço de vapor primário.

As temperaturas de ida e retorno da água secundária são de 82 °C e 71 °C, respetivamente, a uma velocidade de água bombeada de 7,2 kg/s.

cp para a água = 4,19 kJ/kg °C

Parte 1 Determinação da carga térmica

A carga total pode ser calculada utilizando a Equação 2.6.5:

Parte 2 Determinação da carga de vapor

A taxa de condensação a plena carga pode ser determinada utilizando o lado esquerdo da equação do balanço térmico, Equação 2.6.6:

 

Permutadores de calor de placas

Um permutador de calor de placas consiste numa série de placas metálicas finas e onduladas entre as quais se formam uma série de canais, através dos quais fluidos primários e secundários circulam em canais alternados. A transferência de calor ocorre do vapor do fluido primário para o fluido secundário do processo em canais adjacentes através da placa. A Figura 2.13.3 mostra uma representação esquemática de um permutador de calor de placas.

Um padrão ondulado de sulcos aumenta a rigidez das placas e fornece maior suporte contra pressões diferenciais. Este padrão também cria um fluxo turbulento nos canais, melhorando a eficiência da transferência de calor, o que tende a tornar o permutador de calor de placas mais compacto do que um permutador de calor tradicional de casco e tubo. A promoção do fluxo turbulento também elimina a presença de áreas estagnadas e, portanto, reduz a incrustação. Normalmente, as placas são revestidas no lado primário para promover a condensação do filme de vapor.

No passado, o mercado de permutadores de calor de vapor era dominado pelo permutador de calor de casco e tubo, enquanto os permutadores de calor de placas eram frequentemente preferidos na indústria de processamento de alimentos e no aquecimento de água. No entanto, os recentes avanços na conceção significam que os permutadores de calor de placas são agora igualmente adequados para aplicações de aquecimento a vapor.

Um permutador de calor de placas pode permitir tanto a condensação como o sub-arrefecimento do condensado numa única unidade. Se o condensado for drenado para um coletor atmosférico, a redução da temperatura do condensado também reduz a quantidade de vapor flash perdido para a atmosfera através da purga do coletor. Isto pode eliminar a necessidade de um sub-arrefecedor separado ou de um sistema de recuperação de vapor flash.

Embora uma área nominal de transferência de calor possa teoricamente ser calculada utilizando a Equação 2.5.3, os permutadores de calor de placas são modelos proprietários e serão normalmente especificados em consulta com os fabricantes.

CONTEÚDOS ÚTEIS - 6 ASPECTOS FUNDAMENTAIS DA CONCEPÇÃO DE UM PERMUTADOR DE CALOR DE PLACAS DE VAPOR

Permutadores de calor de placas com juntas (permutadores de calor de placas e estrutura)

Num permutador de calor de placas com juntas, as placas são fixadas numa estrutura e uma junta fina (normalmente de polímero sintético) veda cada placa na extremidade. Parafusos de aperto entre as placas são usados para comprimir o conjunto de placas entre a placa da estrutura e a placa de pressão. Esta conceção permite uma fácil desmontagem da unidade para limpeza e permite que a capacidade da unidade seja modificada através da simples adição ou remoção de placas.

A utilização de juntas proporciona um grau de flexibilidade ao conjunto de placas, oferecendo resistência à fadiga térmica e a variações súbitas de pressão. Isto faz com que alguns tipos de permutadores de calor de placas com juntas sejam uma escolha ideal como aquecedor de vapor para fornecimento instantâneo de água quente, onde as placas serão expostas a uma certa quantidade de ciclos térmicos.

A limitação da utilização do permutador de calor de placas com juntas reside na gama de temperaturas de funcionamento das juntas, que impõe uma restrição à pressão de vapor que pode ser utilizada nestas unidades.

Permutadores de calor de placas soldadas

Num permutador de calor de placas soldadas, todas as placas são soldadas entre si (normalmente utilizando cobre ou níquel) num forno de vácuo. É uma evolução do permutador de calor de placas com juntas e foi desenvolvido para proporcionar maior resistência a pressões e temperaturas mais elevadas a um custo relativamente baixo.

No entanto, ao contrário da unidade com juntas, o permutador de calor de placas soldadas não pode ser desmontado. Se precisar de ser limpo, tem de ser enxaguado em sentido inverso ou limpo quimicamente. Isto também significa que estas unidades são fornecidas numa gama padrão de tamanhos, pelo que o sobredimensionamento é comum.

Embora o permutador de calor soldado tenha uma conceção mais robusta do que o tipo com juntas, é também mais suscetível à fadiga térmica devido à sua construção mais rígida. Por conseguinte, devem ser evitadas mudanças bruscas ou frequentes de temperatura e de carga e deve ser dada maior atenção ao controlo do lado do vapor para evitar tensões térmicas.

Os permutadores de calor soldados são mais adequados (e principalmente utilizados) para aplicações em que as variações de temperatura são lentas, como o aquecimento ambiente. Também pode ser utilizado com sucesso com fluidos secundários que se expandem gradualmente, como o óleo térmico.

Permutadores de calor de placas soldadas

Num permutador de calor de placas soldadas, o conjunto de placas é mantido unido por costuras soldadas entre as placas. A utilização de técnicas de soldadura a laser permite que o conjunto de placas seja mais flexível do que um conjunto de placas soldadas, tornando a unidade soldada mais resistente a pulsações de pressão e ciclos térmicos.

A elevada temperatura de funcionamento e os limites de pressão da unidade soldada significam que estes permutadores de calor são normalmente de uma especificação mais elevada e são mais adequados para aplicações na indústria de processos pesados. São frequentemente utilizados quando é necessário um elevado desempenho a alta pressão ou temperatura, ou quando é necessário aquecer meios viscosos como o petróleo e outros hidrocarbonetos.

Permutadores de calor de casco e tubo

O permutador de calor de casco e tubos é provavelmente o método mais comum de troca de calor indireta em aplicações de processos industriais. Um permutador de calor de casco e tubos é constituído por um conjunto de tubos encerrados num casco cilíndrico. As extremidades dos tubos são encaixadas em placas tubulares que separam os fluidos primário e secundário.

Quando o condensado de vapor é utilizado como meio de aquecimento, o permutador de calor é normalmente horizontal e a condensação ocorre no interior dos tubos. O sub-arrefecimento também pode ser utilizado para recuperar algum calor adicional do condensado no permutador de calor. No entanto, se o grau de sub-arrefecimento necessário for relativamente grande, é frequentemente mais conveniente utilizar um arrefecedor de condensado separado.

 

Aquecedores de água com aquecimento a vapor não cumulativo

A Figura 2.13.4 apresenta um projeto comum de um aquecedor de água aquecida a vapor não cumulativo. É conhecido como um permutador de calor de casco e tubo do tipo "um casco e dois tubos de passagem" e consiste num feixe de tubos em U instalado num espelho de tubos fixo.

Diz-se que tem uma "passagem de concha" porque as ligações de entrada e saída do fluido secundário estão em extremidades diferentes do permutador de calor, pelo que o fluido do lado da concha passa pela unidade apenas uma vez. Diz-se que tem duas passagens tubulares porque as ligações de entrada e saída de vapor estão na mesma extremidade do permutador de calor, pelo que o fluido do lado dos tubos passa duas vezes pela unidade.

Uma divisória de passagem (também designada por placa divisória ou placa em forma de asa) divide a cabeça do permutador, de modo a que o fluido do lado do tubo seja desviado para o feixe de tubos em U em vez de passar diretamente pela cabeça.

Este é um projeto relativamente simples e barato porque apenas é necessária uma placa tubular, mas a sua utilização é limitada a fluidos relativamente limpos, uma vez que os tubos são mais difíceis de limpar. Note-se que é mais difícil substituir um tubo com estes tipos de permutadores de calor.

Normalmente, são instalados deflectores no invólucro para direcionar o fluxo de fluido do lado do invólucro através dos tubos, melhorando a taxa de transferência de calor e para suportar os tubos.

Arranque a frio

Como mencionado no Módulo 2.7, a carga de arranque pode muitas vezes ser ignorada se raramente ocorrer ou se o tempo necessário para atingir a carga total não for crítico. Por esta razão, as válvulas de controlo e os permutadores de calor serão frequentemente dimensionados de acordo com a carga total mais os factores de segurança habituais.

Com sistemas que são desligados durante a noite e nos fins-de-semana, a temperatura da água secundária pode ser baixa no início de uma manhã fria de inverno e as taxas de condensação nos aquecedores de aquecimento serão mais elevadas do que no estado de carga total. Consequentemente, a pressão no espaço de vapor pode ser consideravelmente mais baixa do que a pressão a que o permutador de calor funciona normalmente, até que a temperatura de entrada secundária atinja o seu valor de projeto.

De um ponto de vista térmico, isto pode não ser um problema: o sistema simplesmente demora mais tempo a aquecer. No entanto, se o projetista não tiver tido em conta esta situação, um sistema inadequado de purga de vapor e de remoção de condensados pode causar a acumulação de condensados no espaço de vapor.

Isto pode causar:

Corrosão interna.
2. tensão mecânica devida à deformação.
3. Ruído devido a golpes de aríete.

Estes problemas podem afetar os permutadores de calor que não foram concebidos para suportar tais condições.

Estimativa das cargas de aquecimento

Edifícios: Um método prático e subjetivo de estimar uma carga de aquecimento é olhar para o próprio edifício. Os cálculos podem ser complicados e envolvem factores como o número de trocas de ar e as taxas de transferência de calor através das paredes, janelas e tectos. No entanto, é possível obter uma estimativa razoável se se considerar o volume total do edifício e se se considerar simplesmente 30 a 40 W/m³ de espaço até 3 000 m³ e 15 a 30 W/m³ se for superior a 3 000 m³. Isto dará uma estimativa razoável da carga de aquecimento quando a temperatura exterior estiver próxima de uma condição de projeto de -1°C.

Uma forma prática de determinar o consumo de vapor de uma instalação existente é utilizar um medidor de caudal de vapor preciso e fiável.

Exemplo 2.13.2

Determinar a capacidade de projeto de um aquecedor de água a partir de condições reais medidas A capacidade de projeto de um aquecedor de água é desconhecida, mas a carga de vapor é medida como sendo 227 kg/h quando a temperatura exterior é de 7 °C e a temperatura interior é de 19 °C, uma diferença de 12 °C.

O aquecedor de água foi também concebido para fornecer uma temperatura interior de 19 °C quando a temperatura exterior é de -1 °C, uma diferença de 20 °C.

A carga de vapor na condição de projeto pode ser estimada simplesmente pelo rácio das diferenças de temperatura:

 
Acumuladores água quente

O acumuladores Os reservatórios de água quente são concebidos para elevar a temperatura de todo o seu conteúdo, desde a temperatura fria até à temperatura de armazenamento, num período de tempo especificado.

A taxa média a que o vapor se condensa durante o período de aquecimento ou recuperação pode ser calculada utilizando a Equação 2.13.1.

Exemplo 2.13.2 Calcular a carga média de vapor de um calorífero de armazenagem

Um calorificador de armazenagem tem uma capacidade de 2 272 litros (2 272 kg) e foi concebido para elevar a temperatura desta água de 10°C para 60°C em ½ hora com vapor a 2 bar g.

cp para a água = 4,19 kJ/kg °C

Este valor médio pode ser utilizado para dimensionar a válvula de controlo. No entanto, quando a temperatura da água pode estar no seu valor mais baixo, por exemplo, 10 °C, a elevada taxa de condensação de vapor pode ser superior ao que a válvula de controlo totalmente aberta pode passar, e a serpentina ficará sem vapor. A pressão na serpentina cairá significativamente, o que terá o efeito líquido de reduzir a capacidade do dispositivo de purga de vapor. Se o dispositivo de purga for incorretamente dimensionado ou selecionado, a condensação pode acumular-se na serpentina, reduzindo a sua capacidade de transferir calor e de atingir o tempo de aquecimento necessário. Podem ocorrer golpes de aríete, provocando ruídos graves e tensões mecânicas na serpentina. No entanto, se não for permitida a acumulação de condensado na serpentina, o sistema deve manter o tempo de aquecimento correto.

A solução é assegurar uma drenagem adequada dos condensados. Isto pode ser conseguido através de um purgador de vapor ou de um purgador automático, dependendo das necessidades do sistema (ver Módulo 13.1 - Permutadores de calor e paragem).

 

Outros aquecedores de vapor com casco e tubos

Noutros permutadores de calor que utilizam vapor, é por vezes utilizada uma cabeça flutuante interna, que é geralmente mais versátil do que a cabeça fixa dos permutadores de calor de tubos em U. Eles são mais adequados para aplicações com maiores diferenças de temperatura entre o vapor e o fluido secundário. Uma vez que o feixe tubular pode ser removido, podem ser limpos mais facilmente. Muitas vezes, o fluido no lado do tubo é direcionado para escoar através de várias passagens para aumentar o comprimento do percurso do fluxo.

Os permutadores são normalmente construídos com um a dezasseis passagens de tubo, sendo o número de passagens selecionado para atingir a velocidade de fluxo lateral do tubo projectada. Os tubos são dispostos no número necessário de passagens, dividindo o coletor com várias placas de partição. Por vezes, são criados dois passes do casco através da instalação de um deflector longitudinal do lado do casco no centro do permutador, onde a diferença de temperatura seria inadequada para um único passe. As disposições de fluxo dividido e de fluxo dividido são também utilizadas quando a queda de pressão, e não a taxa de transferência de calor, é o fator de controlo no projeto, para reduzir a queda de pressão do lado do casco.

O vapor também pode ser utilizado para evaporar (ou vaporizar) um líquido, num tipo de permutador de calor de casco e tubo conhecido como "reboiler". Estes são utilizados na indústria petrolífera para vaporizar uma fração do produto de fundo de uma coluna de destilação. Tendem a ser horizontais, com a vaporização no casco e a condensação nos tubos (ver Figura 2.13.5).

Nos reboilers de circulação forçada, o fluido secundário é bombeado através do permutador de calor, enquanto que nos reboilers termossifão, a circulação natural é mantida devido às diferenças de densidade. Nos reboilers do tipo caldeira não há circulação do fluido secundário e os tubos são imersos num poço de líquido.

Tabela 2.13.3 Coeficientes típicos de transferência de calor para alguns permutadores de calor de casco e tubo

Embora a condensação por gotejamento seja desejável em todas estas aplicações, é frequentemente difícil de manter e imprevisível. Para ser prático, os cálculos de projeto baseiam-se geralmente no pressuposto de condensação por película.

A área de transferência de calor para um permutador de calor de casco e tubo pode ser estimada utilizando a Equação 2.5.3. Embora esse equipamento seja normalmente especificado em consulta com os fabricantes, alguns coeficientes globais típicos de transferência de calor são apresentados no Quadro 2.13.3 como orientação quando o vapor é utilizado como meio de aquecimento (e incluem uma tolerância para a incrustação).

Permutadores de calor de tubos ondulados

Uma evolução na conceção do permutador de calor tradicional de casco e tubo é o recente desenvolvimento do permutador de calor de tubo ondulado. Trata-se de um permutador de calor de placas fixas de passagem única com um casco soldado e tubos rectos corrugados que são adequados para fluidos de baixa viscosidade. À semelhança dos permutadores de calor de placas, os tubos ondulados promovem condições de funcionamento turbulentas que maximizam a transferência de calor e reduzem as incrustações. Tal como os permutadores de calor tradicionais de casco e tubo, estas unidades são normalmente instaladas horizontalmente. No entanto, no permutador de calor de tubos corrugados, o vapor deve estar sempre no lado do casco.

Videoguia: Entupimento em permutadores de calor - Principais problemas e como resolvê-los

Permutadores de calor em espiral

Os permutadores de calor em espiral partilham muitas características semelhantes às dos permutadores de calor de casco e tubo e dos permutadores de calor de placas e são utilizados em muitas das mesmas aplicações. Consistem em chapas metálicas fabricadas que são trabalhadas a frio e soldadas entre si para formar um par de canais espirais concêntricos, que são fechados por placas de extremidade com anel em O ligadas a um invólucro exterior.

A turbulência nos canais é normalmente elevada, com características de fluxo idênticas para ambos os fluidos. São também relativamente fáceis de limpar e podem ser utilizados para fluidos e lamas muito sujos. A utilização de uma única passagem para ambos os fluidos, combinada com a compacidade da unidade, significa que as quedas de pressão nas ligações são normalmente bastante baixas.