Para a maioria dos engenheiros,o defletor do trocador de caloré uma reflexão tardia. Os tubos são selecionados para transferência de calor, o casco é dimensionado para contenção de pressão e os defletores são especificados de acordo com o padrão padrão. Essa abordagem funciona para muitas aplicações, mas perde oportunidades de melhoria. Este artigo analisa vários casos da prática de campo onde a atenção ao projeto do defletor melhorou significativamente o desempenho, reduziu custos ou prolongou a vida operacional.
Caso 1: o resfriador-com excesso de pressão
Uma planta química na região da Costa do Golfo tinha um resfriador de casco e tubo de 600 mm de diâmetro operando com um fluxo leve de hidrocarbonetos. O refrigerador estava em serviço há oito anos e apresentava um desempenho adequado, mas a queda de pressão aumentou a tal ponto que a planta estava pensando em substituir a bomba ou instalar um desvio.
O projeto original utilizava chicanas segmentadas simples com corte de 25% e espaçamento de 200 mm. Os defletores foram especificados de acordo com o arranjo padrão TEMA. Uma análise dos dados operacionais mostrou que a queda de pressão no lado-do casco aumentou do valor de projeto de 35 kPa para 85 kPa. O aumento foi atribuído à incrustação, mas a taxa de incrustação foi maior do que o esperado.
A solução não foi alterar o espaçamento ou o corte do defletor, mas sim alterar a configuração do defletor. Os defletores segmentados simples foram substituídos por defletores segmentados duplos. A queda de pressão foi reduzida para 40 kPa sem redução significativa na transferência de calor. A planta economizou o custo de uma nova bomba e evitou o tempo de inatividade para instalação.
A lição: quando a queda de pressão for excessiva, considere uma mudança no tipo de defletor antes de trocar a bomba.
Caso 2: O Pacote Vibratório
Uma usina tinha um aquecedor de água de alimentação com diâmetro de casco de 900 mm. A unidade estava em serviço há três anos quando começaram a ocorrer falhas nos tubos. As falhas ocorreram nas juntas-do{4}}tubo e da placa do tubo e nos pontos onde os tubos entraram em contato com os defletores. As falhas foram causadas por vibração-induzida pelo fluxo.
O projeto tinha defletores cortados em 25%, defletores segmentados únicos e espaçamento de 300 mm. A frequência natural calculada dos tubos foi de 45 Hz. A frequência de excitação do fluxo lateral do casco foi estimada em 30 a 50 Hz, dependendo da velocidade do fluxo. A vibração estava em ressonância.
A solução foi reduzir o espaçamento dos defletores para 200 mm. Isto aumentou a frequência natural para 70 Hz, fora da faixa de excitação. Os tubos foram substituídos, os defletores foram modificados e a unidade voltou ao serviço. O custo da modificação foi uma fração do custo das falhas contínuas dos tubos. A usina estimou que a vibração causou mais de US$ 200.000 em manutenção e perda de produção ao longo dos três anos.
A lição: a relação de frequência não é um detalhe a ser ignorado. Quando a frequência natural está próxima da frequência de excitação, o resultado é vibração e falha.
Caso 3: O Déficit de Transferência de Calor
Uma planta de processamento de alimentos tinha um trocador de calor de casco e tubo de 500 mm de diâmetro usado para resfriar um produto alimentício viscoso. A unidade foi projetada com defletores padrão, mas não atingia a temperatura de saída necessária. O fabricante propôs aumentar a área de superfície adicionando um trocador maior, mas a fábrica estava procurando uma solução-de custo mais baixo.
Uma revisão do projeto mostrou que o espaçamento do defletor era de 250 mm, o que era maior que o ideal para o fluido de{1}alta viscosidade. O padrão de fluxo foi dominado pelo fluxo longitudinal através das janelas defletoras. O fluxo-cruzado sobre os tubos era baixo e o coeficiente de transferência de calor estava abaixo do valor de projeto.
Os defletores foram modificados reduzindo o espaçamento para 150 mm. A velocidade-do fluxo cruzado aumentou, o coeficiente de transferência de calor aumentou e a unidade atingiu a temperatura de saída necessária. A modificação foi concluída durante uma parada programada para manutenção e custou menos de 10% do custo de um novo trocador.
A lição: para fluidos viscosos, o espaçamento padrão dos defletores costuma ser muito grande. Um espaçamento menor aumenta o fluxo-cruzado e melhora a transferência de calor.
A mecânica do desempenho do defletor
O desempenho de um sistema de defletores é determinado por três fatores: o padrão de fluxo, a distribuição de velocidade e a queda de pressão. Cada um é afetado pelo design do defletor.
- Padrão de fluxo. O design do defletor determina se o fluxo é predominantemente fluxo-cruzado ou fluxo longitudinal. O fluxo-cruzado é mais eficaz para a transferência de calor porque perturba a camada limite. O fluxo longitudinal é menos eficaz para a transferência de calor, mas é necessário para transportar o fluido entre os compartimentos do defletor.
- Distribuição de velocidade. O design do defletor determina se o fluxo é uniforme em todo o feixe de tubos ou concentrado em determinadas áreas. Uma distribuição não{2}}uniforme reduz a transferência de calor e aumenta o risco de incrustações locais.
- Queda de pressão. O design do defletor determina a queda de pressão através do trocador. A queda de pressão é uma função da velocidade através das janelas defletoras e da velocidade do-fluxo cruzado. A relação não é linear; dobrar a velocidade aumenta a queda de pressão por um fator de aproximadamente quatro.
O corte defletor
O corte do defletor é a variável mais significativa no projeto do defletor. Ele determina o equilíbrio entre o fluxo-cruzado e o fluxo longitudinal. Um corte menor aumenta o fluxo-cruzado e a transferência de calor, mas também aumenta a queda de pressão e o risco de vibração do tubo. Um corte maior reduz-o fluxo cruzado e a queda de pressão, mas também reduz a transferência de calor.
O corte ideal para a maioria das aplicações é de 20% a 25% da área do defletor. Isso fornece um equilíbrio entre transferência de calor e queda de pressão. Para aplicações com limitações de alta queda de pressão, pode ser necessário um corte maior. Para aplicações onde a transferência de calor é a prioridade, um corte menor pode ser utilizado.
A orientação do corte também é levada em consideração. Na maioria dos designs, o corte é horizontal, com a janela na parte superior ou inferior da casca. Este é o arranjo padrão para operação vertical. Na operação horizontal, o corte geralmente é vertical para evitar o acúmulo de líquido na parte inferior da carcaça.
Espaçamento do defletor
O espaçamento do defletor determina a velocidade do fluxo-cruzado e a extensão não suportada dos tubos. O espaçamento é normalmente de 20% a 100% do diâmetro do casco. O espaçamento ideal depende dos requisitos de transferência de calor, das limitações de queda de pressão e do risco de vibração do tubo.
- Transferência de calor. O coeficiente de transferência de calor aumenta à medida que o espaçamento diminui. Para um determinado diâmetro de casca, o coeficiente é aproximadamente proporcional à raiz quadrada do inverso do espaçamento. Esta relação é válida para a gama de espaçamentos práticos.
- Queda de pressão. A queda de pressão é aproximadamente proporcional ao inverso do espaçamento. Um espaçamento menor aumenta a queda de pressão. A relação não é linear; uma redução de 20% no espaçamento pode aumentar a queda de pressão em 30% a 40%.
- Vibração do tubo. O risco de vibração diminui à medida que o espaçamento diminui. Um espaçamento menor reduz a extensão não suportada e aumenta a frequência natural. O risco de vibração também é afetado pelo padrão de fluxo e pelo layout do tubo.
O espaçamento deve ser selecionado para equilibrar esses três fatores. Para aplicações dominadas por-transferência de calor, o espaçamento normalmente fica na extremidade inferior do intervalo. Para aplicações com queda de pressão-limitada, ela está no limite superior. Para aplicações com alto risco de vibração, o espaçamento deve ser pequeno o suficiente para manter os tubos dentro dos limites de vibração permitidos.
O passo do tubo e o layout do tubo
O passo do tubo-a distância entre tubos adjacentes-afeta a distribuição do fluxo e a queda de pressão. Um passo maior fornece mais espaço para o fluxo lateral-do casco, reduzindo a queda de pressão e permitindo uma velocidade de fluxo mais alta. Um passo menor aumenta a contagem de tubos para um determinado diâmetro do casco, aumentando a área de transferência de calor, mas restringindo o fluxo.
O layout do tubo-a disposição dos tubos no feixe-afeta a distribuição do fluxo e as características de vibração. Os três layouts padrão são:
- Triangular (30 graus). Este layout fornece a maior contagem de tubos para um determinado diâmetro de casca. É o layout mais comum para aplicações onde a maximização da área de transferência de calor é a prioridade. A distribuição do fluxo é boa e a queda de pressão é moderada.
- Quadrado (90 graus). Este layout fornece acesso para limpeza mecânica dos tubos. Ele é usado em aplicações onde o fluido do lado do casco está incrustado ou onde os tubos precisam ser limpos. A contagem de tubos é inferior à triangular para o mesmo diâmetro do casco.
- Quadrado girado (45 graus). Este layout proporciona um compromisso entre a alta contagem de tubos do layout triangular e o acesso para limpeza do layout quadrado. É usado em aplicações onde é necessário algum acesso para limpeza.
Folga do defletor-para{1}}o tubo
A folga entre os furos do defletor e os tubos afeta o fluxo de desvio e as características de vibração do tubo. A folga é normalmente de 0,5 a 1,5 mm para projetos padrão. Uma folga menor reduz o fluxo de desvio e melhora a transferência de calor, mas pode aumentar o risco de danos ao tubo durante a montagem. Uma folga maior reduz o risco de danos na montagem, mas aumenta o fluxo de desvio e reduz a transferência de calor.
A folga deve ser especificada com base no material do tubo, no diâmetro do tubo e no método de montagem. Para tubos de aço inoxidável, a folga pode ser maior do que para tubos de aço carbono para compensar o maior coeficiente de expansão térmica.
Uma metodologia de design
A metodologia a seguir pode ser usada para desenvolver um projeto de defletor para uma aplicação específica:
Etapa 1: Estabeleça os requisitos do processo.
Determine a carga térmica, as propriedades do fluido, a queda de pressão permitida e os limites de vibração do tubo. Estas são as restrições que o projeto deve satisfazer.
Passo 2: Selecione o tipo de defletor.
Selecione a configuração do defletor com base nos requisitos do processo e nas restrições de espaço. Defletores segmentados únicos são o padrão. Defletores duplos segmentados ou de disco-e{3}}donut são usados quando a queda de pressão é excessiva.
Etapa 3: determine o espaçamento do defletor.
Calcule o espaçamento necessário para atingir o coeficiente de transferência de calor desejado e manter os tubos dentro dos limites de vibração permitidos.
Etapa 4: determine o corte do defletor.
Calcule o corte necessário para atingir o equilíbrio desejado entre o fluxo-cruzado e o fluxo longitudinal. O corte é normalmente de 20% a 25% da área do defletor.
Etapa 5: verifique o design.
Calcule o coeficiente de transferência de calor, a queda de pressão e o risco de vibração. Os resultados devem estar dentro dos requisitos do processo.
Etapa 6: Especifique os materiais.
Selecione o material do defletor com base nas propriedades do fluido e na temperatura operacional. O material do defletor deve ser compatível com o material do tubo e o material do invólucro.
Instalação e Manutenção
A instalação e manutenção de defletores normalmente são simples, mas há várias considerações importantes.
- Instalação. Os defletores devem ser instalados com a orientação correta. O corte deve ficar alinhado com os bicos de entrada e saída. Os orifícios dos tubos devem estar alinhados com os tubos. O desalinhamento pode causar danos ao tubo durante a montagem ou operação.
- Inspeção. Os defletores devem ser inspecionados durante paradas de manutenção. A inspeção deve incluir uma verificação de corrosão, erosão e deformação. As folgas entre os tubos e os orifícios do defletor devem ser verificadas para garantir que não aumentaram devido ao desgaste.
- Limpeza. Os defletores devem ser limpos se houver incrustações. O método de limpeza depende do tipo de depósito. A limpeza química é típica para depósitos orgânicos. A limpeza mecânica é típica para depósitos inorgânicos.
Conclusão
O sistema de defletores é um componente crítico do trocador de calor de casco e tubos. Seu projeto determina o padrão de fluxo, o coeficiente de transferência de calor, a queda de pressão e as características de vibração do tubo. O projeto deve equilibrar os requisitos concorrentes de transferência de calor, queda de pressão e suporte mecânico.
A seleção do tipo de defletor, espaçamento e corte deve ser baseada em uma avaliação sistemática das condições do processo, das características do fluxo e dos requisitos mecânicos. A análise deve incluir um cálculo de transferência de calor, um cálculo de queda de pressão e uma análise de vibração. O projeto deve ser verificado usando os métodos apropriados.
Quando adequadamente projetado e instalado, o sistema de defletores garante uma transferência de calor confiável durante a vida útil projetada do trocador. Quando mal projetado, pode causar desempenho inadequado, queda excessiva de pressão, vibração do tubo ou falha prematura.