UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
MARTA CRISTINA COSTA CARDOZO – 08133001018 NAZARENO MACIEL DOS SANTOS JUNIOR – 09133000518 WELLINGTON WELLINGTON CESAR MAZALL - 09133000918 09 133000918
SELEÇÃO DE MATERIAIS
TUCURUÍ 2013
MARTA CRISTINA COSTA CARDOZO – 08133001018 NAZARENO MACIEL DOS SANTOS JUNIOR – 09133000518 WELLINGTON CESAR MAZALL - 09133000918
SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA TROCADORES DE CALOR
Trabalho de Avaliação da disciplina Seleção de Materiais de Curso de Engenharia Mecânica apresentado à Faculdade de Engenharia Mecânica, Campus Universitário de Tucuruí da Universidade Federal do Pará, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Msc. Pedro Paulo Ribeiro
TUCURUÍ 2013 1
ÍNDICE 1.
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 3
2.
TIPOS DE TROCADORES DE CALOR ........................................................................................ 4
3.
4.
2.1.
TROCADORES TIPO CASCO TUBO .................................................................................. 4
2.2.
TROCADORES TIPO DUPLO TUBO ................................................................................. 4
2.3.
TROCADORES DE PLACAS .............................................................................................. 5
2.4.
TROCADORES DE CORRENTES CRUZADAS .................................................................... 5
CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DO TROCADOR DE CALOR .......................................................... 6 3.1.
MANUTENÇÃO .............................................................................................................. 6
3.2.
DESEMPENHO TÉRMICO ............................................................................................... 6
3.3.
DESEMPENHO OPERACIONAL ....................................................................................... 9
3.4.
CUSTO.......................................................................................................................... 10
3.5.
CRITÉRIOS ADICIONAIS ................................................................................................ 10
DEFINIÇÃO DO MATERIAL ................................................................................................... 11
REFERÊNCIAS ............................................................................................................................... 13 ANEXO ......................................................................................................................................... 14
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1. INTRODUÇÃO O processo de troca de calor entre dois fluídos ocorre em muitas aplicações da engenharia. Os equipamentos usados para realizar esta troca são denominados trocadores de calor, que usam a convecção e condução térmica dos materiais para realizar a troca, sendo os fluídos separados por paredes sólidas, não se misturando durante o processo. Aplicações específicas podem ser encontradas como em processos de aquecimento e condicionamento de ambientes, recuperação de calor, processos de fabricação de produtos químicos, refrigeração, entre outros.
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2. TIPOS DE TROCADORES DE CALOR Existem vários tipos de trocadores de calor, variando em sua geometria, dimensões, formas e capacidade de troca sendo normalmente classificados de acordo com o arranjo de escoamento e o tipo de construção. Dentre os mais comuns estão: 2.1. TROCADORES TIPO CASCO TUBO São os trocadores mais comuns utilizados na indústria, tratando-se de uma câmara por onde circula um dos fluidos e por onde passam os tubos com circulação do segundo fluido sem permitir a mistura dos mesmos, tendo entradas e saídas distintas para cada um deles. Tem um ótimo custo benefício em relação ao preço por unidade de área de troca térmica, além da grande variedade de tipos e tamanhos disponíveis no mercado. Umas das desvantagens é inflexibilidade no projeto pronto, não permitindo grandes alterações em equipamentos já construídos. Figura 1 – Trocador Casco Tubo
2.2. TROCADORES TIPO DUPLO TUBO São trocadores com princípio similar aos do tipo casco tubo, constituídos por dois tubos concêntricos geralmente com trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo para dirigir os fluidos de uma seção reta para outra. Neste tipo de trocador, um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular onde a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno. Podem ainda serem conectados em série através de junções retas ou tipo U. São de fácil desmontagem e limpeza e ampla variedade de configurações. 4
Figura 2 – Trocador Duplo Tubo
2.3. TROCADORES DE PLACAS São trocadores com placas dispostas paralelamente, intercalando os fluidos entre uma e outra através de ranhuras nas placas. A geometria permite altos índices de transferência de calor, resistência a incrustações e facilidade na limpeza, porém não admitem pressões muito elevadas e tem elevada perda de carga. Figura 3 – Trocador de Placas
2.4. TROCADORES DE CORRENTES CRUZADAS Este tipo de trocador possui configuração tubular e na maioria dos casos aletas perpendiculares aos tubos, fazendo circular um fluido pelos tubos e outro na direção aletada, sendo muito utilizado na troca de calor entre gases e líquidos
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como em radiadores resfriados a ar, condensadores e evaporadores nos sistemas de refrigeração e climatização. Figura 4 – Trocador de calor de correntes cruzadas
Existem ainda outros tipos menos usados e variações dos anteriormente citados originando uma enorme gama de opções para as aplicações mais específicas na indústria em geral, mas todas usam os mesmos princípios, apenas combinando diferentemente as geometrias e diferentes fluidos para realizarem a troca. 3. CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DO TROCADOR DE CALOR Para seleção do tipo de trocador de calor utilizado em um processo é necessário levar em consideração vários fatores para que a escolha seja a mais adequada ao processo. 3.1. MANUTENÇÃO O equipamento deve permitir fácil acesso para limpeza mecânica ou química de seus componentes suscetíveis à incrustação, além de permitir a troca de seus componentes danificados por corrosão entre outras adversidades operacionais. 3.2. DESEMPENHO TÉRMICO O trocador de calor deve obedecer às especificações de projeto quanto à carga térmica, ou seja, o fluxo térmico necessário ao processo respeitando os limites de temperatura e perdas de carga.
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A transferência de calor em um trocador objetiva a troca de energia entre dois fluidos, caracterizada por fenômenos de convecção e condução. Convecção quando transferência do calor do fluido para parede do trocador e de parede para fluido, e condução térmica através da própria parede sólida. Para convecção é possível calcular o fluxo de calor pela equação a seguir:
(1) Onde é coeficiente de transferência de calor, e é a queda de temperatura do fluído quente na parede. Assim sendo para condução teremos a seguinte equação:
(2)
Onde é condutividade térmica da parede na espessura , e é diferença de temperatura através da parede. Se fizermos a resistência térmica na superfície quente igual a 1/h1, na superfície fria do tubo 1/h 2, e através da parede t/ λ, teremos uma equação da resistência total:
(3)
Onde é o Coeficiente Global de Transferência de Calor . Dessa forma poderemos definir o fluxo de calor do fluido quente para o fluido frio da seguinte maneira:
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(4) Sendo a diferença de temperatura entre os dois fluidos. Abaixo, a tabela apresenta alguns valores de coeficiente global de transferência de calor para diferentes combinações de fluido: Tabela 1 – Valores representativos de U [W/m 2.K]
Para exemplificar a aplicação será utilizada uma transferência de calor entre dois fluidos no estado líquido em um trocador tipo casco tubo, onde a convecção é muito maior e a resistência térmica na superfície dos tubos ou placas é desprezível, minimizando ainda a resistência por condução fazendo as paredes o mais finas possível, conseguindo calcular o fluxo de calor considerando apenas a convecção (equação 2). Sendo um trocador de calor de comprimento L com quantidade de tubos n de raio r e espessura t , é necessário selecionar o material adequado para maximizar o fluxo de calor total:
(5) 8
Onde A é a área total das superfícies dos tubos expressa pela equação:
(6)
3.3. DESEMPENHO OPERACIONAL O equipamento deve suportar todas as adversidades do sistema, devendo garantir a estabilidade operacional e resistência à temperatura de trabalho corrosão, incrustações, pressões de trabalho, vibrações, esforços mecânicos e intempéries se instalado ao ar livre. A espessura da parede dos tubos, no caso do trocador tipo casco tubo, deve ser dimensionada para suportar a diferença de pressão entre a câmara e os tubos ( ), exigindo que a tensão na parede ( ) seja inferior ao limite elástico ( ) do material de fabricação dos mesmos, sendo essa tensão a seguinte:
(7)
Se a operação do equipamento trouxer risco à segurança de pessoas ou ao meio ambiente podem ser usados fatores de segurança multiplicadores, que foram desprezados nesse exemplo. Dessa forma podemos restringir a espessura a um valor mínimo sem que haja risco de defeitos no projeto ou no funcionamento do trocador. Eliminando t entre as equações (5) e (7) teremos então:
(8)
Pode-se maximizar o fluxo de calor por unidade de área ( Q/A) tomando como referência o termo da equação que relaciona a condutividade térmica ( ) e o limite elástico do material ( ), logo: 9
(9) Modo de Carregamento Forma Flexão Tração Flambagem Torção Pressão interna
Barra, Tubo Chapa Barra Coluna, tubo Chapa Barra, Tubo Vaso de pressão cilíndrico Vaso de pressão esférico
Índice de Mérito Rigidez Resistência 1/2
E
1/3
E
E/
/ /
/
/
-
1/3
/
-
E
/
1/2
1/2
E
2/3
/
G/
/
E/
/
/
E / (1 - )
3.4. CUSTO Os custos de manutenção devem estar de acordo com o orçamento previsto levando em consideração o tempo de vida útil dos componentes do equipamento. A escolha de materiais de fácil reposição no mercado é uma boa condição para facilitar a compra de sobressalentes. Neste aspecto a exigência de garantia do fabricante é uma importante ferramenta para evitar elevados gastos com substituição e intervenções em caso de defeitos de fabricação ou desgastes acelerados dos componentes, não previstos em projeto. 3.5. CRITÉRIOS ADICIONAIS O material de fabricação deve apresentar boas condições de usinabilidade e ductilidade para os processos de fabricação, de laminação ou trefilação no caso de placas ou tubos. Em todas as aplicações existirão particularidades de projeto, onde dimensões do equipamento, espaço físico da instalação, fixação, entre outras características físicas e operacionais devem ser analisadas para concepção do projeto. A experiência de manutenção é uma das mais importantes fontes de informação para o aperfeiçoamento do projeto.
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Características de segurança das pessoas e do equipamento bem como de meio ambiente devem ser consideradas de acordo com as normas e legislações em vigor. 4. DEFINIÇÃO DO MATERIAL Como parâmetros de projeto são levados em consideração o local de instalação do trocador, a escolha do tipo do trocador, nesse caso o tipo casco tubo, e adotados os seguintes valores dimensionais:
Número de tubos do trocador de calor: 20 tubos;
Comprimento: 1,5 metros;
Raio do tubo: 0,02 m = 20 mm;
Espessura da parede do tubo: 0,004 m = 4 mm (espessura mínima de acordo com a norma TEMA).
Através dos cálculos, o Índice de Mérito apontou para a seleção de vários materiais metálicos adequados para fabricação, dentre os quais selecionamos os três com maior valor de condutividade térmica () que é um dos principais fatores na escolha do material:
Ligas de Cobre: Condutividade térmica média de 401 W/m.K;
Ligas de Alumínio: Condutividade térmica média de 237 W/m.K;
Ligas de Zinco: Condutividade térmica média de 116 W/m.K;
Avaliando o critério de seleção de resistência à corrosão e oxidação e considerando o uso dos fluídos água e óleo no sistema de troca, eliminamos o uso das Ligas de Zinco pelo fato do Zinco ser um material suscetível à corrosão sendo comumente utilizado como metal de sacrifício. Analisando o critério de custo do material, para tubos com mesmo diâmetro e espessura de parede, foram levantados os seguintes preços de mercado:
Tubo de Cobre: R$ 36,50 por Kg;
Tubo de Alumínio: R$ 60,00 por Kg;
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De acordo com o projeto foram necessários 30 metros de tubo para um trocador, e estimando a massa total dos tubos considerando a densidade de cada material sendo Alumínio aproximadamente 1/3 da massa do Cobre foi encontrado o seguinte resultado: Supondo que os 30 metros de tubo de Cobre tenham massa de 9 Kg, o custo será de R$ 328,50, logo para 30 metros de tubos de Alumínio a massa será de 3 Kg, e o custo total ficará em R$ 180,00. Sendo assim eliminamos o Cobre, optando pelo Alumínio para fabricação dos trocadores de calor, que além do melhor preço apresenta como vantagem a alta resistência à corrosão, resistência à pressão e oscilações térmicas, leveza e ductilidade para processos de fabricação. Para fabricação do casco por convenção foi definido o uso do próprio alumínio, acelerando o processo de perda de calor para o ambiente, considerando que o fluido quente circulará em contato direto com o casco.
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REFERÊNCIAS FALCÃO, Carlos. Projeto Mecânico – Vasos de Pressão e trocadores de calor casco e tubos. Sem editora. Revisao 2008. Texto registrado sob o número 284827 do Livro 514 folha 487 do Escritório de Direitos Autorais da Fundação Biblioteca Nacional do Ministério da Cultura. TELLES, Pedro C. S. Tubulações Industriais – Materiais, Projeto e Montagem. Editora LTC. 10º edição. Rio de Janeiro – RJ. 2005. Norma ASTM A1020. Standard Specification for Steel Tubes, Carbon and Carbon Manganeses, Fusion Wleded, for Boliler, Superheater, Heat Exchanger and Condenser Applications. 2007. TELLES, Pedro C. S. Vasos de Pressão. Editora LTC. 2º edição. Rio de Janeiro – RJ. 2007. TEMA, 1998, Standards, 7ª ed, Tubular Exchanger Manufactures Association, New York. VEIGA, José Carlos. Juntas Tipo 923 para trocador de calor. Teadit Juntas Ltda. Sem Editora. Campinas – SP. 1999.
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ANEXO
MEMORIAL DE CALCÚLO Para fluxo de calor:
Para área da superfície dos tubos:
Para carga térmica:
Para condutividade térmica:
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