Condições de Processo num Trocador de Calor
Tah Wun Song
(EPUSP-E.E. Mauá)
1. Introdução
Um trocador de calor é um equipamento onde ocorre uma troca térmica entre dois fluidos, normalmente separados por uma parede. Há diversos tipos construtivos, dentre os quais, um dos mais usados industrialmente é o de feixe tubular, constituído por um conjunto de tubos envolto por um casco. Um dos fluidos circula no interior dos tubos e o outro fluido escoa no lado externo. No presente artigo, serão apresentadas algumas considerações a respeito das condições de processo nesse trocador de calor.
As variáveis envolvidas são muitas e quase sempre interdependentes. O engenheiro que vai projetar um trocador de calor novo ou avaliar o desempenho de um trocador já em operação precisa conhecer bem essas variáveis. Muito desse conhecimento depende do bom senso e da experiência profissional. As considerações a seguir visam identificar os problemas mais freqüentes e formular algumas soluções razoáveis. O importante é não se esquecer de que os problemas são interrelacionados e a solução de um pode ser conflitante com a do outro. Portanto, o engenheiro deve sempre guardar uma visão "globalizante" na análise de casos e propor soluções que contemplem todos os aspectos envolvidos. As principais varáveis de processo num equipamento de troca térmica são as seguintes.
2. Natureza e Características dos Fluidos
A natureza dos fluidos que circulam num trocador de calor constitui um fator fundamental no seu estudo.
É óbvio que há diferença notória num processo se o fluido em questão é ácido sulfúrico (produto extremamente corrosivo), ou leite (produto alimentício), ou sulfeto de carbono (produto muito tóxico) ou vapor d'água (fluido com coeficiente de troca térmica muito elevado).
As propriedades físicas de maior interesse na troca térmica são a condutibilidade térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico. Elas influem, juntamente com algumas variáveis geométricas e de operação, decisivamente no desempenho de um trocador de calor. Vale lembrar que os valores dessas propriedades variam em função da temperatura que, por sua vez, se altera ao longo de um trocador de calor. Na maioria das vezes, é aceitável como simplificação que se adotem os valores das propriedades à temperatura média entre a entrada e a saída.
Além das propriedades físicas citadas, é preciso ter em conta características como a corrosividade, a toxidez, a periculosidade, a inflamabilidade. Para esses casos, a garantia de que não exista vazamento do fluido deve ser maior. Os cuidados para a detecção de um eventual vazamento devem ser redobrados, assim como as providências posteriores devem ser imediatas e de preferência automaticamente acionadas. Imagine o desastre numa fábrica se, num resfriador, o ácido sulfúrico fura um dos tubos e contamina a água de resfriamento do lado do casco, sabendo que o circuito da água de resfriamento é integrado a outras unidades e se trata de um circuito fechado: vai ocorrer uma verdadeira proliferação do "vírus da acidez" pelo "corpo" da fábrica toda.
3. Temperaturas de Operação
As temperaturas de entrada e saída de um fluido num trocador de calor, chamadas de temperaturas terminais (nos extremos do trocador), dependem das exigências do processo. Elas, portanto, são em geral especificadas e vão determinar o valor do potencial térmico (a força motriz térmica) para promover a troca térmica. É importante especificar, além do valor nominal desejado, qual a faixa de tolerância dentro da qual o valor pode flutuar sem prejuízos ao processo, o que se reflete diretamente nos aspectos de operação, instrumentação e controle do processo.
Por outro lado, se os valores das temperaturas terminais (ou os valores das diferenças entre elas) forem muito elevados, devem ser seguidas recomendações sobre o assunto: por exemplo, o uso de materiais de construção mais nobres, uso de juntas de expansão etc.
4. Pressões de Operação
Como o trocador de calor é sempre um equipamento inserido numa unidade de processo, as pressões dos fluidos também dependem do resto do sistema.
Em alguns casos, porém, as pressões são ditadas pelas exigências específicas do processo de troca térmica. Por exemplo, para possibilitar a condensação de certos fluidos, a pressão de operação tem que ser alta, se se quer usar água como fluido de resfriamento. Ou então, no caso de um trocador de calor de placas, a pressão de operação não pode ser muito elevada, pela dificuldade de prover uma resistência mecânica estrutural às placas e às vedações entre elas.
Para as situações em que as pressões são muito elevadas, deve-se consultar normas específicas a respeito. A espessura da parede deve ser naturalmente maior e sistemas de segurança adequados precisam ser previstos.
Um outro aspecto sobre a pressão diz respeito à contaminação dos fluidos num acidente de ruptura dos tubos. Se, por motivos de processo ou de segurança, é preferível que o fluido A seja contaminado pelo fluido B e não vice-versa, como o caso do resfriamento do ácido sulfúrico (fluido A) por água (fluido B), então opera-se com uma pressão maior no lado do fluido B do que a do A. Assim, quando ocorre um vazamento pelos tubos, o fluido B, que tem pressão maior, passa para o lado do fluido A e não o oposto. Mas é importante lembrar que num trocador de calor há uma queda de pressão (a ser visto no item 6) entre a entrada e a saída e, para aproveitar o fato acima, a pressão de saída do B (a mínima do B no trocador) tem que ser maior que a pressão de entrada do fluido A (a máxima do A no trocador).
5. Velocidade de Escoamento
A velocidade de escoamento influi em quatro aspectos fundamentais: a eficiência de troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de sujeira.
Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia. Conseqüentemente, a área do trocador necessária para uma dada carga térmica será menor. Nesse aspecto, é desejável que a velocidade de escoamento seja alta.
Mas essa turbulência intensa também implica num atrito maior e uma perda de carga maior, podendo até ultrapassar valores máximos admissíveis (a ser visto no item 6). Nesse aspecto, não é desejável uma velocidade de escoamento exagerada.
Então, há um compromisso entre melhorar a eficiência de troca térmica sem acarretar uma perda de carga excessiva. A busca desse compromisso constitui um dos principais objetivos no projeto de um trocador de calor.
Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à erosão e ao depósito de sólidos (item 7). Uma velocidade muito pequena pode favorecer o depósito de sujeira e a dificuldade da sua remoçao. Por outro lado, uma velocidade exageradamente alta pode acarretar uma erosão intensa; se o fluido é corrosivo ou contém sólidos em suspensão, o efeito será mais danoso ainda. Então, de novo, a velocidade de escoamento não pode ser nem muito alta nem muito baixa.
Há, na literatura, faixas de valores práticos, recomendados para velocidade de escoamento num trocador de calor:
Fluido Velocidade Recomendada (m/s) Gases e vapores 25 a 30 Líquidos com viscosidade < 50 cP 1 a 3 Líquidos c/ viscosidade entre 50 e 1000 cP 0,5 a 2 Líquidos com viscosidade > 1000 cP 0,2 a 1 Água de resfriamento nos tubos 1 a 2,5 Os valores acima devem ser tomados como orientativos: dependendo do caso específico, pode-se justifcar a adoção de valores diferentes.
6. Perda de Carga Admissível
A queda de pressão (ou mais precisamente a variação de energia expressa em altura manométrica) entre a entrada e a saída é conhecida como a perda de carga num trocador de calor. Para cada fluido num dado processo, é estipulado um valor de perda de carga máximo ou perda de carga admissível, por várias razões.
Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional de energia elevado, devendo portanto ser evitada. Além disso, não se deve esquecer que o trocador de calor é sempre um equipamento componente de uma unidade de processo. O fluido que sai dele, em muitas vezes, vai ainda passar por tubulações e outros equipamentos a jusante, com suas respectivas perdas de carga; portanto na saída do trocador de calor, o fluido precisa ter ainda uma pressão suficiente para vencer as perdas subseqüentes.
Conforme já destacado quando se tratou da velocidade de escoamento, a perda de carga está intimamente associada a esta variável. Na literatura, há faixas de valores usuais para perdas de carga admissíveis:
Fluido Perda de Carga Admissível (psi) Gases e vapores em operações a pressões
altas ou intermediárias2 a 10 Gases e vapores em operações a pressões
próximas à atmosférica ou sob vácuo0,3 a 2 Líquidos 10 a 25 Reiteramos a ressalva de que se tratam de valores orientativos.
Um aspecto muito importante que, às vezes, pode ser esquecido é o seguinte. Para um trocador de calor em geral, deve-se trabalhar com um valor de perda de carga o mais próximo possível do admissível. Por exemplo, não é interessante operar um trocador de calor com perda de carga de 3 psi, se a admissível é de 10 psi. Isso se deve exatamente ao que já foi exposto anterirormente: quanto maior a intensidade de turbulência, melhor o desempenho de troca térmica. Então, para um trocador de calor, deve-se usufruir de toda a dissipação de energia por atrito prevista, sem contudo ultrapassar o valor admissível.
7. Fator de Sujeira
O depósito de materiais indesejáveis na superfície de um trocador de calor aumenta a resistência à transferência de energia, diminuindo a eficiência de troca térmica e pode obstruir a passagem do fluido, aumentando a sua perda de carga.
Um dos modos adotados na prática para saber o grau de depósito num trocador de calor em operação é acompanhar, ao longo do tempo de uso, as temperaturas e as pressões terminais do trocador. À medida que o depósito aumenta, a eficiência de troca térmica cai (observado através das temperaturas) e a diferença de pressões cresce.
O processo de formação do depósito é em geral complexo. Pode ser devido à sedimentação, à polimerização, à cristalização, ao coqueamento, à corrosão, ou a causas de natureza orgânica (como algas). Esses mecanismos podem ocorrer independente ou paralelamente.
A taxa de depósito é afetada pelas condicões de processo do trocador tais como a natureza dos fluidos, a velocidade de escoamento, as temperaturas dos fluidos, a temperatura na parede, o material de construção do equipamento, o grau de acabamento da superfície como a rugosidade ou tipo de revestimento interno.
Para facilitar a quantificação desse efeito que conforme visto é complicado, costuma-se usar um parâmetro definido como fator de incrustação ou fator de sujeira ("fouling factor"). Dimensionalmente é o inverso do coeficiente de transporte de energia por convecção. Logo, quanto maior o fator de incrustação, maior o depósito, maior a resistência à troca térmica.
Faixas de valores típicos desse fator podem ser encontrados na literatura para diversos casos de operação comuns.
Esses valores são interessantes e úteis porque servem de orientação geral. Mas como o depósito é um processo complexo, depende de uma série de variáveis e portanto difícil de ser previsto, os valores típicos da literatura devem ser usados com muita reserva e cuidado, pois nunca vão refletir a realidade específica de um processo. Os valores mais confiáveis são os obtidos experimentalmente para um dado caso particular.
O fator de incrustação deve ser considerado a priori num projeto de trocador de calor, pois a área de troca térmica calculada deve ser suficiente para as necessidades do processo quando o trocador está novo (limpo) e quando está em operação há algum tempo (já com sujeira). Como o valor desse fator é difícil de ser previsto, essa deficiência constituirá uma das causas principais da imprecisão no projeto de um trocador de calor. A experiência profissional nesse aspecto será fundamental.
8. Localização dos Fluidos
Para um trocador de calor do tipo casco-tubos, uma das decisões importantes a ser tomada no início do projeto é definir qual dos fluidos deve circular pelo lado interno (feixe tubular) e qual pelo lado externo (casco). Uma localização mal feita implica num projeto não otimizado e numa operação com problemas freqüentes.
Os aspectos básicos levados em consideração referem-se à limpeza do equipamento, à manutenção, a problemas decorrentes de vazamento e à eficiência de troca térmica.
Muitos dos fatores que influem nesses aspectos já foram abordados anteriormente.
Para decidir a localização dos fluidos, deve-se considerar:
(a) Fluido com maior tendência de incrustação:
A velocidade de escoamento pelo lado dos tubos (escoamento em trecho reto ou em U) é mais uniforme e mais fácil de ser controlada.
Por outro lado no casco, devido aos desvios, a velocidade não é regular em todo o trajeto; pode haver regiões no casco com velocidades bem pequenas ou até zonas mortas.
Como a velocidade de escoamento influi no depósito, conforme visto, recomenda-se circular o fluido mais sujo (com maior fator de incrustação) no lado dos tubos.
Além disso a limpeza mecânica e química é bem mais fácil pelos tubos. No casco, a limpeza mecânica às vezes é impraticável e a limpeza química pode ser não tão eficiente pela existência de zonas de baixa turbulência.
Vale lembrar que a água de resfriamento é um dos fluidos industriais com alto fator de sujeira e portanto, de modo geral, circula preferencialmente pelos tubos.
Mesmo para a água de resfriamento tratada, cujo fator de sujeira já não é tão elevado, recomenda-se em geral a sua circulação pelos tubos.
(b) Fluido corrosivo:
É melhor circular o fluido corrosivo no lado dos tubos. Pois, assim, "só se corrói" o tubo, que pode ser protegido com uso de material de construção mais resistente ou até ser revestido internamente, se for o caso. O material de construção e o grau de acabamento do casco poderão então ser diferentes e mais brandos.
(c) Fluido com temperatura ou pressão muito elevadas:
Para serviços de alta temperatura ou alta pressão, os cuidados com o material de construção e vedação têm que ser maiores. Portanto, pelo mesmo motivo anterior, é preferível circular o fluido nessas condições no lado dos tubos.
Vale ressaltar que o critério exposto não implica em que o fluido com maior temperatura ou maior pressão do que o outro necessariamente deve ser locado nos tubos. Mas se o valor da temperatura ou da pressão for significativamente apreciável, requerendo material de construção especial ou outros cuidados especiais, então esse fluido merece uma preferência de circular pelos tubos.
(d) Fluido com menor velocidade de escoamento:
Uma velocidade baixa de escoamento prejudica a troca térmica.
Devido à possibilidade de colocação conveniente de chicanas transversais, é mais fácil provocar uma turbulência intensa no casco do que no lado dos tubos. Logo, mesmo que a vazão de escoamento seja baixa, há um recurso construtivo (chicana) para incrementar a troca térmica no lado do casco.
Então, quando a diferença entre as vazões é significativa, em geral é mais econômico circular o fluido de menor vazão no lado do casco e o de maior vazão no lado dos tubos.
(e) Fluido mais viscoso:
Um fluido com alta viscosidade também dificulta a troca térmica. Assim pelo mesmo motivo do item anterior, circula-se o fluido mais viscoso no lado do casco onde é mais fácil intensificar a turbulência. Mas se a diferença de viscosidades entre os dois fluidos for pequena (por exemplo, a de um fluido é de 0,5 cP e do outro 1 cP), nesse caso, torna-se indiferente a sua locação quanto ao critério de viscosidade.
(f) Fluidos letais e tóxicos:
Para operação desses fluidos, por motivos de segurança, a vedação é fundamental.
A estanqueidade é mais simples de ser garantida no lado dos tubos, usando um espelho (chapa onde estão consolidados os tubos) duplo por exemplo. Então os fluidos periculosos devem circular preferencialmente pelo lado dos tubos.
(g) Fluido com diferença entre as temperaturas terminais muito elevada:
Se a diferença entre as temperatuas de entrada e saída for muito alta (maior que 150oC) e se houver mais de uma passagem pelo lado dos tubos, recomenda-se circular esse fluido pelo casco. Esse procedimento minimiza problemas construtivos causados pela expansão térmica.
Em muitos casos, podem ocorrer situações conflitantes, de acordo com as recomendações prescritas acima. Por exemplo, um dos fluidos é muito incrustante e o outro escoa sob temperatura muito elevada; segundo os critérios mencionados, os dois fluidos deveriam circular pelo lado dos tubos.
Uma prioridade que serve de orientação é dada pela seguinte relação onde o fluido de posição anterior é em geral alocado nos tubos:
Água de resfriamento;
Fluido corrosivo ou fluido com alta tendência de incrustação;
Fluido menos viscoso;
Fluido de temperatura e pressão elevadas;
Fluido de maior vazão.
Você é o leitor No.