NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR Autor: Rogério Barreto de Souza
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR
Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS. Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS". Órgão gestor: E&P-CORP/RH
NOÇÕES DE TROCADORES DE CALOR Autor: Rogério Barreto de Souza
Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Reconhecer os principais tipos de trocadores de calor, suas características, aplicações e cuidados básicos na sua utilização.
Programa Alta Competência
Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades prossionais na Companhia. É com tal experiência, reetida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desaos com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência
Agradecimentos
Ao pessoal da Petrobras/Abastecimento por ceder material que tomei como base para este trabalho, cabendo a mim a singela tarefa de adaptá-lo para visão da Petrobras/E&P; ao pessoal da UN-BC/ATP-N/ OP-NA pelo apoio e incentivo e, finalmente, ao pessoal do Programa Alta Competên cia pela ajuda na diagramação do trabalho.
Como utilizar esta apostila
Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.
ATERRAMENTO DE SEGURANÇA
Autor
Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identicar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.
Objetivo Geral
O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.
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Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Ao final desse capítulo, o treinando poderá:
Objetivo Específico
• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos; • Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.
No nal de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.
Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
1.4. Exercícios
1.7. Gabarito
1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?
1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________ 2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:
O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos. 2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso: A) Risco de incêndio e explosão (B)
B) Risco de contato
“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”
Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas
Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas denições estão disponíveis no glossário. Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente identicados, pois estão em destaque. Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.
3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais vericados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 dene o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.
Alta Competência
3.4. Glossário Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica. Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.
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Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao nal de cada capítulo.
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1.6. Bibliografia CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007. COELHO FILHO, Roberto Ferreira.Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005. Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410.Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.
Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado de um determinado item do capítulo.
É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.
“Importante” é um lembrete das questões essenciais do conteúdo tratado no capítulo.
IMPORTANTE! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!
Já a caixa de destaque “Resumindo” é uma versão compacta dos principais pontos abordados no capítulo. RESUMINDO...
Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig , inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas
Em “Atenção” estão destacadas as informações que não devem ser esquecidas.
ATENÇÃO É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.
Todos os recursos didáticos presentes nesta apostila têm como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo. Aproveite este material para o seu desenvolvimento prossional!
Sumário Introdução
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Capítulo 1 - Trocadores de calor Objetivos 1. Trocadores de calor 1.1. Temperatura 1.2. Classicação geral dos trocadores quanto à nalidade 1.2.1. Trocadores para aquecimento 1.2.2. Trocadores para resfriamento 1.2.3. Trocador ou intercambiador (exchanger )
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21 21 22 22 23 24
1.3. Tipos construtivos de trocadores de calor
24
1.3.1. Trocadores casco tubo ( shell and tube) 1.3.2. Trocadores de placas 1.3.3. Outros tipos de trocadores
25 31 33
1.4. Exercícios 1.5. Glossário 1.6. Bibliograa 1.7. Gabarito
36 38 39 40
Capítulo 2 - Orientações práticas Objetivos 2. Orientações práticas 2.1. Cuidados na operação 2.2. Manutenção 2.2.1. Principais processos de limpeza
2.3. Realização de testes 2.4. Exercícios 2.5. Glossário 2.6. Bibliograa 2.7. Gabarito
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45 45 46 46
47 49 50 51 52
Introdução as diversas plantas de processo e em outras Unidades de produção do E&P, é necessário manejar os uidos de diversas formas diferentes para garantir a qualidade do produto: ora aumentamos ou reduzimos a pressão, ora ltramos, desidratamos, provocamos mudanças de estado etc. Dentre essas diversas transformações, destaca-se a mudança de temperatura, na qual os trocadores de calor têm papel fundamental.
N
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Conjunto de trocadores de calor
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RESERVADO
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Trocadores de calor
Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identicar os tipos mais utilizados de trocadores de calor; • Explicar características e aplicações dos diferentes tipos de trocadores de calor.
RESERVADO
Alta Competência
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RESERVADO
Capítulo 1. Trocadores de calor
1. Trocadores de calor s trocadores de calor são equipamentos em que dois uidos com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface metálica. Essa troca térmica é empregada para atender às necessidades do processo e/ou economizar a energia que seria perdida para o ambiente.
O
No processo de troca térmica pode haver ou não mudança de fase (condensação ou evaporação) dos uidos envolvidos que sofrem mudança de temperatura no interior do próprio equipamento.
1.1. Temperatura A diferença de temperatura entre dois pontos cria a força motriz necessária para a transferência do calor. Os grácos a seguir ilustram o comportamento da temperatura em função do comprimento do sistema de tubos concêntricos; em ambos os sistemas o uido que escoa no tubo externo é resfriado e o uido que escoa no tubo interno é aquecido. T2
T1
t1
t2
T
1
T
T2
T1 t1
t2
T
1
T T
t2
2
t
t T2 t1
2
t t x L
Escoamento contracorrente
1
x L
Escoamento paralelo
Na ilustração à esquerda, temos nas extremidades os uidos escoando na mesma direção, porém em sentidos opostos. Dizemos que esses uidos estão escoando em “contracorrente” ( counterflow ). Já na ilustração à direita, os uidos também escoam na mesma direção, porém agora também estão escoando no mesmo sentido de uxo. Esse escoamento é chamado de “paralelo”.
RESERVADO
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Alta Competência
Nos grácos das ilustrações, está representada a variação da temperatura nos tubos. A temperatura de entrada e de saída do tubo interno é simbolizada por t1 e t2, respectivamente, e no tubo externo é simbolizada por T1 e T, respectivamente. Podemos ver que ambos os uidos de cada sistema de tubos sofrem variações de temperatura que não são lineares. O valor (T – t) em cada ponto assume valores diferentes. Observe a ilustração a seguir: Fluido B Quente
Fluido A Fluido A
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Frio Fluido B
Vê-se o tubo tipo “U” no interior de um trocador esquemático. Na parte externa do tubo, temos o uido B, que está mais quente do que o uido A, localizado na parte interna. A parede do tubo “U” é projetada para facilitar a troca térmica, de modo que o uido A aqueça enquanto o uido B é resfriado, concomitantemente. concomitantemente.
1.2. Classificação geral dos trocadores quanto à finalidade Os trocadores de calor são equipamentos usados para transferir energia térmica de um uido para outro. A transferência de calor proporcionada por este tipo de equipamento é muito comum em plantas industriais, incluindo produção e processamento de gás e óleo. Existem diversos tipos de trocadores que são classicados de acordo com sua nalidade e tipo de construção. 1.2.1. Trocadores para aquecimento a) Aquecedor ou pré-aquecedor ( heater, preheater ) Aquece um uido do processo, recebendo calor sensível de outro uido quente disponível. Um bom exemplo são os tipos de óleo que precisam ser aquecidos para facilitar a separação nos vasos separadores.
RESERVADO
Capítulo 1. Trocadores de calor
b) Refervedor (reboiler ) Vaporiza um líquido, recebendo receben do calor, calor, normalmente de vapor d’água, d’água , ou de outro uido quente disponível. Em renarias, opera em conjunto com torres de processamento, vaporizando parte dos seus produtos de fundo. IMPORTANTE!
Não confundir com o refervedor ( reboiler ) utilizado em plataformas e em outras unidades operacionais no sistema de tratamento do gás, mais especicamente desidratação, para regenerar o TEG. Este equipamento não se trata de um trocador, pois a fonte de calor dele é a energia elétrica e não outro uido. c) Gerador de vapor ( steam steam generator ) É um trocador que gera vapor d’água, recebendo calor de outro uido quente disponível no processo. 1.2.2. Trocadores para resfriamento a) Resfriador (cooler ) Atua resfriando uidos do processo, cedendo calor para a água. Também utilizado para resfriar óleo lubricante de vários equipamentos como bombas, compressores e turbinas. O resfriamento do óleo lubricante dos turbogeradores é um bom exemplo. Outro exemplo são os motores a diesel que têm circuito fechado de água para resfriamento do bloco do motor. Este circuito, em determinados casos, troca calor com água salgada proveniente do mar em unidades marítimas através de um trocador de calor tipo resfriador resfriador..
RESERVADO
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Alta Competência
b) Condensador (condenser ) É um trocador que tem como princípio de funcionamento a condensação do vapor vapo r, através da perda de calor para a água. Ou seja, o uido vaporizado tem temperatura muito alta; ao trocar calor com a água os vapores se condensam e o uido volta ao estado líquido. 1.2.3. Trocador ou intercambiador (exchanger ) Troca calor entre dois uidos de processo. Aproveita a energia de um uido que precisa ser resfriado e a transfere para outro que necessita ser aquecido, reduzindo perdas e melhorando o rendimento energético da unidade.
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Exemplo: em algumas unidades, o petróleo (água, óleo e gás) proveniente dos poços é aquecido, enquanto a água produzida é resfriada em um mesmo trocador. O primeiro uido precisa ser aquecido para facilitar a separação e o segundo precisa ser resfriado para ser descartado no mar dentro da especicação de temperatura.
1.3. Tipos construtivos de trocadores de calor Os trocadores de calor em unidades de processo, notadamente renarias, devem atender a exigências de grandes vazões dos uidos e/ou condições severas de temperatura e pressão. Os tipos mais utilizados são: • Casco tubos; • Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares; • Resfriadores a ar; • Trocadores de placas; • Trocadores espirais.
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Capítulo 1. Trocadores de calor
Na escolha dos tipos de trocador entram fatores como características dos uidos, custo, facilidade de manutenção e a experiência do projetista. Apenas alguns dos tipos (e subtipos) apresentados são amplamente utilizados. Os de casco tubos são os principais tipos de trocador encontrados em renarias e plataformas. Observe a ilustração a seguir.
Trocador de calor casco tubo
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1.3.1. Trocadores casco tubo ( shell and tube) Os trocadores casco tubo consistem em um casco que contém no seu interior um feixe de tubos, em que um dos uidos passa pelo casco (uido do lado casco) e o outro pelo feixe de tubos (uido do lado tubos), sendo a troca térmica realizada através das paredes dos tubos do feixe. Seus principais componentes são: a) Feixe de tubos É um conjunto de tubos presos por suas extremidades a duas placas denominadas “espelhos”. O feixe atravessa chapas metálicas chamadas de “chicanas”, colocadas espaçadamente entre os espelhos e xadas por tirantes, visando evitar a exão dos tubos e melhorar a troca térmica, o que aumenta o tempo de residência e a turbulência do uido que passa no casco.
RESERVADO
Alta Competência
Os tubos são fabricados de diversas ligas de materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos. Podem ser dos seguintes tipos: • Lisos: são os mais usados, de 3/4” a 2” e espessuras BWG; • Aletados: para aplicações especícas. Cabeçote anterior Conexão para medição de temperatura ou pressão
Anel intermediário
Desaeração
Gaxeta Tubos
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Chicanas
Dreno Espelho fixo Parede do casco Suporte
Dreno Espelho móvel Cabeçote posterior
Conexão para medição de temperatura ou pressão
Componentes de um trocador de calor (casco tubo)
RESERVADO
Capítulo 1. Trocadores de calor
Feixe tubular desmontável, com apenas uma gaxeta. Trocador de calor para ser usado como resfriador ou preaquecedor para todas as finalidades.
Feixe tubular desmontável, com gaxeta dupla. Uso como tipo N, com melhor separação entre os dois meios de transferência de calor.
Feixe tubular desmontável, com tubos em forma de U. Usado para preaquecimento ou resfriamento de líquidos.
Feixe tubular desmontável, com cabeçote flutuante, para máximas seguranças operacionais e melhores condições de manutenção. Construção conforme Norma TEMA.
Feixe tubular fixo, usado quando existirem gases puros e líquidos nas superfícies externas dos tubos.
Conjunto de trocadores de calor
b) Tubos dobrados em U Os tubos dobrados em U são usados com cabeçotes de retorno. Deseja-se obter o maior número possível de tubos na seção do casco e, ao mesmo tempo, prover espaço para a passagem do uido no casco. As disposições dos tubos no feixe podem ser:
RESERVADO
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Alta Competência
• Passo triangular : melhora a troca, mas só é usado para
uidos limpos; • Passo quadrado : usado em renarias, devido à facilidade de
limpeza externa. As chicanas podem ser de três tipos: • Orifícios anulares; • Disco e anel; • Segmentadas. c) Casco e cabeçotes
28 O casco, normalmente cilíndrico, é o invólucro do trocador, envolvendo o feixe de tubos e o uido que passa por fora desses (do lado casco). O casco é fechado nas extremidades pelos cabeçotes, que formam, com os espelhos, câmaras de entrada e saída do uido do lado tubos. Os cabeçotes são denominados “estacionário” e de “retorno”, pois o uido do lado tubos pode ter mais de uma passagem, indo e voltando pelo feixe, tendo um dos cabeçotes a função de promover o retorno do uido. Quando os dois fluidos percorrem o trocador na mesma direção, diz-se que estão em paralelo e quando em direções opostas, diz-se que estão em contracorrente. Esse último é o fluxo normalmente utilizado. No uxo em contracorrente, a temperatura do uido frio pode ultrapassar a menor temperatura do uido quente, o que não pode ocorrer no uxo em paralelo. O casco pode ser construído a partir de tubos com até 24” de diâmetro nominal ou de chapas calandradas e soldadas a partir de 13” de diâmetro. Fabricados normalmente em aço-carbono, também podem ser feitos de outros materiais:
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Capítulo 1. Trocadores de calor
• Casco tubo: aço-liga e ligas de alumínio; • Casco chapa: aço-liga, ligas de níquel e ligas de cobre.
O casco possui dois ou mais bocais para entrada e saída do uido do lado casco e os cabeçotes têm bocais para entrada e saída do uido do lado tubos. Se um dos cabeçotes é de retorno, então este não possui bocal. Os bocais de entrada e saída cam no cabeçote estacionário. Classificação geral dos trocadores casco tubos A TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association ) publica normas para projeto e construção de trocadores de casco e tubo. Essas especicações servem para três classes de trocadores: Classe R
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Para condições severas de processamento de petróleo e produtos químicos. Esses são serviços rigorosos em que se deseja obter segurança e durabilidade. Classe C Para condições moderadas de operação, tendo em vista a máxima economia e o mínimo tamanho, condizentes com as necessidades de serviço. Classe A Para condições severas de temperatura e uidos altamente corrosivos. Os trocadores são classicados pela TEMA de acordo com a forma dos cabeçotes e do casco. A determinação das formas, a indicação do diâmetro nominal do casco e o comprimento dos tubos caracterizam um trocador.
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Alta Competência
Tipos de cabeçote estacionário A B C D
Tampo e carretel removíveis. Tampo boleado. Feixe de tubos removíveis e carretel integrado ao espelho e tampo removível. Especial para alta pressão.
Tipos de casco E F G H J K
Uma passagem. Duas passagens com defletor longitudinal. Fluxo dividido por defletor. Fluxo duplamente dividido por defletores. Fluxo dividido. Caldeira (kettle ).
Tipos de cabeçote de retorno
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L M N P S T U W
Espelho fixo igual ao cabeçote estacionário A. Espelho fixo igual ao cabeçote estacionário B. Espelho fixo igual ao cabeçote estacionário C. Cabeçote flutuante engaxetado externamente. Cabeçote flutuante com anel bipartido. Cabeçote flutuante com tampo preso no espelho. Tubo em U. Cabeçote flutuante engaxetado internamente.
Os tipos A e B podem ser retirados sem que seja necessário mexer no resto do equipamento, o que não acontece com C e D. Os tipos A e C permitem a inspeção dos tubos sem a remoção de todo o cabeçote, o que não acontece com o tipo B. O tipo C é solidário ao feixe de tubos. Em renarias, os cascos do tipo E são os mais comuns. Os de uxo dividido (G, H e J) são usados para diminuir a perda de carga do uido no casco. E os de tipo K são muito utilizados como refervedores e refrigeradores. Os cabeçotes utuantes ou para tubos em U (S, T e U) são utilizados para grandes diferenciais de temperatura. Os de cabeçotes de retorno engaxetados (P e W) não são usados em renarias.
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Capítulo 1. Trocadores de calor
Escolha do fluido Não há regras xas que estabeleçam que tipo de uido deve passar pelos tubos. A escolha do uido que passa pelos tubos ou pelo casco deve atender às melhores condições para o processo, menor custo de construção e à facilidade de manutenção. De maneira geral, passam pelos tubos: • Fluidos mais sujos : com depósitos, coque, sedimentos,
catalisadores etc. É mais fácil remover a sujeira dos tubos do que do casco; • Fluidos mais corrosivos: é mais econômico usar tubos
resistentes à corrosão do que um casco com a mesma propriedade. Da mesma forma, é mais fácil substituir tubos furados do que o casco; • Fluidos com maior pressão : porque o casco tem menor
resistência em virtude do seu maior diâmetro; • Fluidos menos viscosos : a menos que a perda da pressão deva
ser muito baixa; • Água de resfriamento: facilidade de limpeza; • Fluidos de menor vazão volumétrica : em vista de o casco
oferecer mais espaço. Entre líquidos de propriedades semelhantes, devem passar pelos tubos aqueles de maior pressão e maior temperatura. 1.3.2. Trocadores de placas Os trocadores de placas consistem em um conjunto de placas corrugadas, montadas em série com gaxetas. Os uidos trocam calor, passando em contracorrente, alternadamente, pela seqüência de placas. Têm grande eciência na troca térmica.
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Alta Competência
São muito utilizados em plataformas marítimas para resfriamento da água do sistema de resfriamento, pela água do mar oriunda do sistema de captação. Barramento superior Conjunto de placas
Coluna de suporte
Placa de estrutura Placa de pressão Barramento inferior Trocadores de placas
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Trocador de placas de alumínio (caixas frias) Muito utilizado nas UPGNs de turboexpansão. Os trocadores de alumínio diferenciam-se dos trocadores de placa convencionais por serem fabricados em monobloco e não permitirem ser desmontados para limpeza, entretanto suportam temperaturas criogênicas abaixo de 100 ºC negativos. F o n t e : h t t p : / / w w w . c h a r t -i n d . c o m / l i t fi l e s / E C 0 0 0 0 0 2 . p d f
Trocador placas de alumínio no fabricante
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Capítulo 1. Trocadores de calor
1.3.3. Outros tipos de trocadores a) Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares Consiste na montagem de dois tubos concêntricos. Um uido passa pelo tubo interno e o outro pelo anel formado entre os dois tubos. Geralmente, o tubo interno é aletado e são montadas seqüências de trechos retos em série, unidos por curvas em U. Usado para vazões menores. Observe na ilustração a seguir algumas das características apontadas. Estes trocadores são usados para vazões menores.
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Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares
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Alta Competência
b) Resfriadores a ar Consistem em serpentinas de tubos com aletas transversais e coletores nas duas extremidades dos tubos. O ar de refrigeração é suprido por um ou mais ventiladores, soprado (forçado) ou sugado (induzido) na ascendente, passando pelo feixe montado na horizontal. O conjunto é instalado em uma estrutura ou sobre a ponte de tubulação ( piperack ). Observe na ilustração abaixo como são os resfriadores a ar.
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Resfriadores a ar
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Capítulo 1. Trocadores de calor
c) Trocadores espirais Consistem em duas longas chapas lisas enroladas em torno de canais centrais, criando dois canais espirais concêntricos. O uido quente entra por um canal central, percorrendo um dos canais elípticos até a saída na periferia do casco. O uido frio entra pela periferia do casco, percorrendo o outro canal elíptico até a saída no último canal central, trocando calor em contracorrente. Muito usados para uidos viscosos ou sujos, como asfalto.
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Trocadores espirais
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Alta Competência
1.4. Exercícios 1) Relacione a gura ao trocador.
(1)
( ) Trocadores espirais
(2)
( ) Casco tubo
(3)
( ) Trocadores de placas
(4)
( )
(5)
( ) Resfriadores a ar
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Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares
RESERVADO
Capítulo 1. Trocadores de calor
2) Responda as questões seguintes, considerando as características e aplicações de diferentes tipos de trocadores de calor. a) Em geral, fazendo uma comparação entre as propriedades dos uidos, quais uidos devem passar pelos tubos de um trocador casco tubo? __________________________________________________________ ___________________________________________________________
b) Como é o funcionamento de um trocador de placas? __________________________________________________________ __________________________________________________________ ___________________________________________________________
c) Em unidades marítimas, para que os trocadores são utilizados? __________________________________________________________ __________________________________________________________ ___________________________________________________________
d) Qual tipo de trocador utiliza ventiladores? ___________________________________________________________
RESERVADO
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Alta Competência
1.5. Glossário Aço-carbono - a liga de aço mais comum para fabricação de equipamentos industriais. Aletado - que possui aletas, pequenas peças metálicas utilizadas para centralizar o tubo interno do trocador bitular. BWG - medida Birmingham (Birmingham Wire Gauge) para brocas e os de haste; tabela de calibração inglesa. Calandrada - máquina para curvar e desempenar chapas. Calor sensível - calor que provoca variações na temperatura de um corpo. Concêntrico - que tem o mesmo centro. Corrugado - ondulado, enrrugado. Criogênico - relativo à temperaturas muito baixas.
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Pipe-rack - local por onde passam os dutos.
TEG - sigla para trietilenoglicol. Produto químico utilizado na desidratação do gás natural. TEMA - Tubular Exchanger Manufactures Association. Associação dos Fabricantes de Trocadores Tubulares. Tirante - barra de ferro, cabo de aço ou qualquer outro elemento que se presta aos esforços de tração. UPGN - Unidade de Processamento de Gás Natural.
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Capítulo 1. Trocadores de calor
1.6. Bibliografia PETROBRAS. Equipamentos Industriais - Estáticos. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro: 2003.
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1.7. Gabarito 1. Relacione a gura ao trocador.
(1)
(5)
Trocadores espirais
(2)
(1)
Casco tubo
(3)
(2)
Trocadores de placas
(4)
(3)
Trocadores tipo tubo duplo ou bitubulares
(5)
(4)
Resfriadores a ar
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Capítulo 1. Trocadores de calor
2) Responda as questões seguintes, considerando as características e aplicações de diferentes tipos de trocadores de calor. a) Em geral, fazendo uma comparação entre as propriedades dos uídos, quais uidos devem passar pelos tubos de um trocador casco tubo? Fluidos mais sujos, mais corrosivos, com maior pressão, fluidos menos viscosos, água de resfriamento. b) Como é o funcionamento de um trocador de placas? Um trocador de placas consiste em um conjunto de placas corrugadas montadas em série com gaxetas. Os fluidos trocam calor, passando em contracorrente, alternadamente, pela seqüência de placas. c) Em unidades marítimas, para que os trocadores são utilizados? Em plataformas marítimas, são muito utilizados para resfriamento da água do sistema de resfriamento, pela água do mar oriunda do sistema de captação. d) Qual tipo de trocador utiliza ventiladores? Resfriadores a ar.
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RESERVADO
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Orientações práticas
Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identicar os cuidados básicos nas operações de troca de calor; • Citar os principais processos de limpeza de tubos; • Identicar o alcance dos tipos de testes.
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Alta Competência
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Capítulo 2. Orientações práticas
2. Orientações práticas amos conhecer os tipos de trocadores de calor, suas características e nalidades. Vamos conhecer, também, alguns métodos e dicas que deverão ser lembrados na hora em que você for utilizar na prática estes equipamentos.
V
Boa prática!
2.1. Cuidados na operação Na partida, seja na primeira operação ou após uma parada, o primeiro uido a entrar no trocador deve ser o mais frio. Se o uido mais frio estiver ligeiramente quente, deixa-se o mesmo entrar, então, de forma lenta. Quanto mais quente o uido, mais lenta deve ser a sua penetração no trocador de calor. Na parada, bloqueiase primeiramente a entrada do uido mais quente. Se isso não for observado, podem ocorrer vazamentos nos tubos. Tanto na partida como na parada, os trocadores de calor devem ser aquecidos ou resfriados lentamente. Isso é particularmente importante quando as temperaturas de operação são elevadas. A rápida entrada de um líquido à alta temperatura pode provocar desigualdades de expansão nos tubos, causando vazamentos nos mesmos e deformação do feixe.
IMPORTANTE!
Falhas no suprimento de água para um resfriador podem trazer sérias conseqüências. Quando o uido a ser resfriado é muito quente, a interrupção da água provoca um grande aquecimento do equipamento. Se a água voltar a circular, haverá um resfriamento brusco do trocador. Essa mudança rápida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas.
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Trocador sujo e condições de operação diferentes daquelas para as quais o trocador de calor foi projetado provocam perda de eciência na troca térmica. Deve-se sempre drenar a água de um refervedor ou aquecedor para evitar o fenômeno chamado “martelo hidráulico”, que ocorre conforme descrito a seguir: Suponha que haja água acumulada nos tubos do refervedor. Abrindo-se a válvula do vapor d’água, este vai conduzir a água a uma grande velocidade até encontrar um obstáculo, onde provoca um violento choque. Esse impacto severo, o “martelo hidráulico”, pode causar ruptura do material.
2.2. Manutenção 46
A eciência do trocador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação, são acumulados, dentro e fora dos tubos, depósitos de sais, oxidação, areia, camadas de graxa, corpo de microorganismos, incrustação etc., prejudicando bastante a troca de calor e a perda de carga do uido. O trocador de calor, que durante a operação diminui sua eciência, deve ser inspecionado e limpo durante a parada da unidade, ou mesmo imediatamente, caso seja possível. 2.2.1. Principais processos de limpeza O depósito de materiais no interior de um trocador de calor deve ser acompanhado e combatido, ao longo do seu tempo de uso, através de processos de limpeza. Os processos mais comuns adotam: a) Limpeza por água em contracorrente Este tipo de limpeza é utilizada para condensadores e resfriadores que utilizam água salgada não tratada como uido refrigerante. O processo consiste em inverter o uxo d’água nos tubos com o equipamento em operação, possibilitando a remoção dos detritos presos aos tubos, através de dreno apropriado. RESERVADO
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b) Limpeza por vapor ( steam out ) O trocador de calor é retirado de operação sem ser desmontado. Alinha-se vapor pelo casco e pelos tubos de forma a entrar por um respiro e carregar a sujeira por um dreno. Esse método é eciente para remover camadas de graxa ou depósitos nos tubos e no casco do trocador. c) Limpeza química Consiste na circulação, em circuito fechado, de uma solução ácida adicionada de um inibidor de corrosão. A solução desagrega os resíduos e o inibidor impede o ataque do metal pela solução. Após a limpeza, é feita a neutralização mediante tratamento com uma solução alcalina fraca, seguido de abundante circulação de água.
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d) Limpeza mecânica Os carretéis são desmontados pelos empregados da manutenção. Camadas de graxa, lama e sedimentos podem ser removidos dos tubos por meio de arames, escovas, ou jatos d’água. Se os tubos estão entupidos por sedimentos muito agregados, então são usadas máquinas perfuratrizes. Essas constam, essencialmente, de um eixo metálico que, girando dentro dos tubos, expulsa os detritos.
2.3. Realização de testes Após a parada para inspeção e manutenção dos trocadores de calor, há a necessidade de submetê-los a teste de pressão a fim de verificar a resistência mecânica das juntas soldadas, da mandrilagem dos tubos nos espelhos e a estanqueidade dos dispositivos de vedação. Os testes de pressão podem ser efetuados com água (hidrostático). Quando isso não for possível, poderá ser feito o teste pneumático. As pressões de teste são denidas pelo código ASME ( American Society of Mechanical Engeneers ). O casco e o feixe deverão ser testados separadamente.
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O teste do casco permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes pontos: • Mandrilagem dos tubos; • Junta entre casco e espelho xo; • Tubos; • Casco e suas conexões. O teste do feixe permite, geralmente, localizar vazamentos nos seguintes pontos: • Junta da tampa do carretel;
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2.4. Exercícios 1) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas abaixo: ( ) Na partida, entra primeiro o uido mais frio. ( ) Quanto mais quente o uido, mais lenta deve ser a sua penetração no trocador de calor. ( ) Na parada, bloqueia-se primeiramente a entrada do uido mais frio. ( ) Tanto na partida como na parada, os trocadores de calor devem ser aquecidos ou resfriados rapidamente. 2) Cite: a) Os quatro principais processos de limpeza de trocadores: ___________________________________________________________ ___________________________________________________________
b) As principais ferramentas para limpeza mecânica: ___________________________________________________________
3) Responda: a) Quais os pontos mais comuns de vazamento localizados durante um teste hidrostático do casco de um permutador casco tubo? ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________
b) Quais os pontos mais comuns de vazamento localizados durante um teste hidrostático do feixe de um permutador casco tubo? ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________
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2.5. Glossário ASME - American Society of Mechanical Engeneers. Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos. Estanqueidade - capacidade de estancar, parar, interromper. Mandrilagem - retenção de uma ferramenta ou peça a ser trabalhada através de dispositivo ou acessório de máquina-ferramenta.
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2.6. Bibliografia PETROBRAS. Equipamentos Industriais - Estáticos. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro: 2003.
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2.7. Gabarito 1) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas abaixo: (V)
Na partida, entra primeiro o uido mais frio.
(V)
Quanto mais quente o uido, mais lenta deve ser a sua penetração no trocador de calor. Na parada, bloqueia-se primeiramente a entrada do uido mais frio. Justificativa: primeiramente deve ser bloqueada a entrada do fluido mais quente.
(F)
(F)
Tanto na partida como na parada, os trocadores de calor devem ser aquecidos ou resfriados rapidamente. Justificativa: o aquecimento ou resfriamento devem ser lentos.
2) Cite: a) Os quatro principais processos de limpeza de trocadores: Limpeza em água contracorrente, limpeza por vapor, limpeza química e limpeza mecânica.
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b) As principais ferramentas para limpeza mecânica: Arames, escovas, jatos d’água e perfuratrizes. 3) Responda: a) Quais os pontos mais comuns de vazamento localizados durante um teste hidrostático do casco de um permutador casco tubo? • Mandrilagem dos tubos; • Junta entre casco e espelho fxo; • Tubos; • Casco e suas conexões.
b) Quais os pontos mais comuns de vazamento localizados durante um teste hidrostático do feixe de um permutador casco tubo? • Junta da tampa do carretel; • Junta entre carretel e espelho fxo; • Junta da tampa utuante; • Carretel, sua tampa e conexões.
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