Trocador de calor de casco e tubo: dispositivo, finalidade e características do dispositivo

O trocador de calor de casco e tubo é um tipo de dispositivo de engenharia de calor e desempenha a função de transferir calor do refrigerante para a substância aquecida. Dependendo do caso específico, o papel do líquido de refrigeração pode ser vapor ou líquido. Até o momento, o modelo de casca e tubo do aquecedor recebeu o uso mais difundido.

Um trocador de calor é um dispositivo bastante complexo usado como condensador, aquecedor ou evaporador

Áreas de uso

A produção desses dispositivos começou no início do século XX. Isso se deve ao fato de as estações térmicas precisarem de aquecedores de superfície grande operando a alta pressão.

Os aquecedores de cascas e tubos são usados ​​em muitas indústrias, incluindo:

• Indústria de petróleo e gás;
• produção química;
• indústria alimentícia.

Quase toda produção está associada à geração ou absorção de calor; portanto, os trocadores de calor são procurados em vários campos da atividade humana. O desempenho dos equipamentos nas empresas, bem como o funcionamento de aparelhos de ar condicionado e aquecedores domésticos, radiadores de refrigeração em carros, etc., depende de seu design e propriedades.

Nota! Aquecedores desse tipo são mais frequentemente usados ​​para resfriar fluidos de trabalho e aquecer o refrigerante para a operação de bombas de calor.

Os trocadores de calor de cascas e tubos são amplamente utilizados como condensadores e evaporadores. Hoje, graças ao desenvolvimento de tecnologias industriais, o design dos trocadores de calor tornou-se mais avançado e continua a ser modernizado.

Vantagens e desvantagens dos trocadores de calor de casco e tubo

Do ponto de vista estrutural, os trocadores de calor desse tipo são semelhantes aos primeiros modelos produzidos no início do século XX. A modernização desses dispositivos afetou apenas alguns elementos, no entanto, a base permaneceu inalterada. Os materiais modernos usados ​​para aquecedores de conchas e tubos podem melhorar suas propriedades operacionais.

Na fabricação de trocadores de calor, são utilizados materiais modernos que melhoram significativamente a qualidade dos dispositivos acabados

Os trocadores de calor de cascas e tubos são diferenciados por várias qualidades positivas, o que lhes permite permanecer elementos indispensáveis ​​de várias indústrias até hoje:

• resistência ao golpe de aríete no sistema;
• a capacidade de trabalhar com ambientes poluídos;
• baixas taxas de transferência de calor;
• Boa performance;
• resistência ao desgaste;
• manutenibilidade;
• resistência a alta pressão;
• resistência a produtos químicos agressivos;
• segurança operacional;
• confiabilidade e durabilidade.

Aquecedores deste tipo têm suas desvantagens, incluindo:

• dimensões bastante grandes;
• Preço Alto.

O dispositivo e princípio de operação

O trocador de calor de casco e tubo inclui vários elementos estruturais. Considere os principais:

• invólucro (caixa);
• câmaras de distribuição e guia;
• sistema de tubo interno;
• folhas de tubo;
• partições e selos.

Esse modelo de dispositivo se distingue pela presença de uma carcaça que oculta os tubos internos, daí o nome - "concha e tubo"

Dois bicos são soldados ao corpo. Um deles é responsável pelo fornecimento do ambiente de trabalho e o outro pela conclusão. Flanges especiais são soldados nas extremidades da caixa.

Além disso, a estrutura desse aquecedor inclui chapas para tubos, entre as quais os tubos são soldados, equipados com grades remotas. Esse projeto forma o sistema de tubulação do recuperador e permite que o aquecedor seja de várias passagens.

Dois bicos são inseridos na parte inferior do recuperador, que, da mesma forma que os bicos da carcaça, executam as funções de fornecimento e saída. A parte inferior do recuperador está equipada com flanges. Os flanges do recuperador são flanges correspondentes do alojamento. O sistema de tubos de tal dispositivo é inserido no alojamento. As grades são fixadas com elementos de vedação especiais e parafusos entre as flanges do recuperador e a carcaça. Isso permite, se necessário, reparar perfeitamente qualquer elemento do dispositivo de casco e tubo.

O princípio de operação desse tipo de aquecedor é o seguinte: o meio quente e o frio circulam por dois canais diferentes. O processo de transferência de calor é realizado entre as paredes desses canais.

Tipos de trocadores de calor com casco e tubo

O aquecedor de casca e tubo é bastante complexo, do ponto de vista estrutural, do aparelho e possui várias variedades que merecem atenção. Devido às características do projeto (a presença de um recuperador), os dispositivos de casco e tubo são classificados como do tipo regenerativo.

Os trocadores de calor de casco e tubo são um tipo regenerativo de dispositivos semelhantes.

Além disso, dependendo da direção do movimento da mídia de trabalho, os aquecedores de casco e tubo são divididos nos seguintes tipos:

• fluxo direto;
• fluxo cruzado;
• contrafluxo.

O modelo de casco e tubo recebeu esse nome devido ao fato de que os tubos através dos quais o líquido de refrigeração circula são colocados dentro da caixa. Existe uma dependência da velocidade do meio de trabalho em relação ao número de tubos localizados na carcaça. Por sua vez, quanto maior a velocidade, maior a taxa de transferência de calor do dispositivo.

Considere os materiais básicos dos quais esses aquecedores são feitos:

• Liga de aço;
• aço inoxidável;
• aço de alta resistência.

Os tubos desses dispositivos podem ser feitos dos seguintes materiais:

• aço;
• cobre;
• latão;
• titânio.

O uso de tais materiais está associado ao fato de que os trocadores de calor geralmente são operados em condições adversas e entram em contato com substâncias agressivas que podem causar corrosão.

Os trocadores de calor são feitos de materiais com alta resistência à corrosão, como titânio ou aço inoxidável.

Importante! O aço convencional não é adequado para um trocador de calor de casco e tubo porque possui baixa resistência à corrosão.

Os modelos de casco e tubo também são divididos em tipos. Hoje existem 4 tipos desses dispositivos:

• um aquecedor equipado com um compensador de temperatura;
• aquecedor com tubos estáticos (fixos);
• dispositivo com tubos em forma de U e W;
• dispositivo de cabeça flutuante.

Os aquecedores de casco e tubo podem ser localizados no espaço horizontalmente, verticalmente ou em um determinado ângulo.

Aumento do coeficiente de transferência de calor

O setor não fica parado - atualizando constantemente os trocadores de calor. A melhoria das características técnicas é alcançada através do uso dos seguintes métodos:

• criação de fluxos turbulentos;
• a implementação de inserções em espiral, devido às quais é formado um fluxo longitudinal e transversal ao redor dos tubos;
• produção de perfis e tubos trançados;
• o uso de misturas, que incluem líquidos e gases;
• criar vibração de superfícies responsáveis ​​pela transferência de calor;
• fluxo pulsante do ambiente de trabalho.

Os métodos acima podem aumentar o coeficiente de transferência de calor. Também é comum usar vários métodos ao mesmo tempo. Essa combinação pode aumentar significativamente as características operacionais de um aquecedor de casco e tubo em um fator de 2 a 3. Também é importante notar que alguns métodos não apenas aumentam as taxas de transferência de calor, mas também podem executar outras funções úteis. Por exemplo, fluxos turbulentos impedem a formação de depósitos de sal nas paredes internas dos tubos, o que elimina o estreitamento do lúmen dos tubos.

A melhoria contínua do design do trocador de calor permite aumentar a transferência de calor e as características operacionais

Dicas de seleção de trocadores de calor

O programa de cálculo de aquecedor de casca e tubo precisa de uma declaração clara dos dados iniciais. Um bom dispositivo de recuperação requer um circuito bem definido. Há vários pontos a serem considerados ao escolher um trocador de calor de concha e tubo. Essas disposições são muito importantes para os cálculos.

Antes de mais nada, é importante notar que, para líquidos de refrigeração líquidos e gasosos, existe uma velocidade de circulação específica através dos tubos. Como mencionado acima, quanto maior a velocidade, melhor a transferência de calor, respectivamente. Para mídia líquida, a velocidade varia de 0,6 a 6 m / s. Para meios gasosos, a velocidade pode ser de 3 a 30 m / s. No entanto, a quantidade de energia gasta também depende da velocidade, portanto, em alguns casos, a velocidade do líquido de refrigeração é subestimada para reduzir o consumo de eletricidade.

Ao escolher os tubos, preste atenção no material de que são feitos, bem como no diâmetro. O material dos tubos é selecionado dependendo do meio de trabalho que circulará através deles. Deve ser lembrado - quanto mais agressivo o ambiente, mais confiável o material do tubo deve ser.

Importante! Se o sistema for limpo com ácido, é recomendável que você escolha tubos de aço inoxidável. O aço inoxidável é caracterizado por altas propriedades anticorrosivas, possui excelente resistência a reagentes agressivos e, além disso, possui baixo coeficiente de condutividade térmica.

Os trocadores de calor de casco e tubo são dispositivos bastante volumosos; portanto, ao escolhê-los, vale a pena considerar seus tamanhos, para que no futuro não haja dificuldades com seu transporte e instalação.

Dispositivos de grandes dimensões têm peso significativo, o que aumenta os custos de transporte

Também é necessário levar em consideração o fato de que, após o trabalho de instalação, deve haver espaço suficiente na frente do recuperador para realizar reparos operacionais do dispositivo, se necessário. Deve haver espaço suficiente para que o sistema de tubulação possa ser removido da carcaça. O trocador de calor de casco e tubo deve ter um design que leve em consideração o acesso gratuito não apenas aos elementos principais, mas também a outras peças de reposição. Isto é especialmente verdade nos dispositivos de controle.

Dicas de operação do trocador de calor de tubos e cascas

Trocadores de calor desse tipo, embora sejam dispositivos bastante despretensiosos, porém, mais cedo ou mais tarde, eles precisam de limpeza ou reparo preventivo.

O reparo do trocador de calor acarreta algumas consequências - na maioria das vezes isso é uma diminuição no coeficiente de transferência de calor. A parte mais vulnerável do aquecedor de conchas e tubos é o tubo. Como regra, são eles que causam o colapso. Conhecendo esse recurso dos trocadores de calor, os especialistas aconselham a comprá-los com uma margem. Além disso, geralmente surgem problemas quando esses dispositivos são regulados por condensado. Qualquer alteração implica desvios na área de transferência de calor. Mudanças na área de transferência de calor geralmente não são lineares.

Fazer esse dispositivo com suas próprias mãos é bastante difícil e, em alguns casos, impossível. O trocador de calor de casco e tubo é um equipamento muito complexo, cuja produção requer aderência estrita ao processo tecnológico, que inclui muitas etapas.