Os trocadores de calor do tipo casco e tubo são muito utilizados nas plantas industriais devido ao seu grande desempenho térmico principalmente nos equipamentos de fluxo contracorrente definido neste projeto, pois, tem baixo custo com manutenção e operação, sendo de fundamental importância seu monitoramento através de melhorias implantadas no processo industrial.

Tipologia: Teses (TCC)

2021

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CENTRO UNIVERSITÁRIO LUTERANO DE MANAUS - CEULM

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CÉLIO DO CARMO COÊLHO

FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ESTIMATIVA DO FATOR DE

INCRUSTAÇÃO EM TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO

MANAUS

2018

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CENTRO UNIVERSITÁRIO LUTERANO DE MANAUS - CEULM

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CÉLIO DO CARMO COÊLHO

FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ESTIMATIVA DO FATOR DE

INCRUSTAÇÃO EM TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO

MANAUS

CÉLIO DO CARMO COÊLHO

FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ESTIMATIVA DO FATOR DE

INCRUSTAÇÃO EM TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO

Trabalho de Conclusão de Curso II apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário Luterano de Manaus – CEULM- ULBRA, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof°. MSc. João D’Anuzio Lima de Azevedo

MANAUS

CÉLIO DO CARMO COÊLHO

FERRAMNENTA COMPUTACIONAL PARA ESTIMATIVA DO FATOR DE

INCRUSTAÇÃO EM TROCADORES DE CALOR CASCO E TUBO.

Trabalho de Conclusão de Curso II apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário Luterano de Manaus – CEULM-ULBRA, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Aprovado em _______ de _____________ de 2018.

Banca examinadora

____________________________________________________

Profª. Orientador MSc. João D’Anuzio Lima de Azevedo. Centro Universitário Luterano de Manaus

Prof. MSc. João de Deus Moraes Segundo Centro Universitário Luterano de Manaus

____________________________________________________

Prof. MSc. Fátima Geisa Mendes Teixeira Centro Universitário Luterano de Manaus

Dedico este trabalho a minha esposa Gláucia e aos meus filhos Maria e João, que sempre me deram apoio incondicional e a minha sogra Ilza que sempre me incetivava a ir a aula mesmo estando muito cansado, estando presente em todos os momentos de dificuldade, dando o suporte necessário para o fim desta caminhada que também será o início de outra. Ao meu Pai, Mãe e Irmão, que embora longe sempre deram o suporte necessário em minha vida.

“Um vencedor é aquele sujeito que se levanta e vai atrás das oportunidades que tanto deseja, se não as encontra, ele as cria.”

(George Bernard Shaw).

RESUMO

O desenvolvimento deste projeto propõe a criação de uma ferramenta computacional para o monitoramento de incrustação em trocadores de calor casco e tubo, pois, afeta diretamente os equipamentos de transferência de calor em industrias de processos. Onde foi elaborado através de cálculos uma metodologia que permite monitorar a performance desses equipamentos, através da comparação da efetividade medida e calculada, ou seja, com os cvalores do trocador de calor limpo e do trocador de calor sujo nas condições de operação do equipamento. Obedecendo normas e padrões pré-estabelecidos, onde ométodo de medição da incrustação foi baseado na medição de variações térmicas, não diferenciando o tipo ou a causa da incrustação. Deste modo foi possível verificar os pontos instáveis dos trocadores de calor e determinar a sua resistência ao escoamento dos fluidos com o aumento da incrustação. As conclusões deste monitoramento nos trocadores de calor casco e tubo levou em consideração as informações operacionais informadas pelo “PI PROCESS BOOK”, como: temperatura de entrada, temperatura de saida e vazões diárias. Assim como informações coletadas em folhas de dados dos equipamentos. E com isso foi possível desenvolver a ferramenta e verificar a sua eficácia nas estimativas de intensidade e magnitude dos defeitos esperados para este sistema, sendo definido através do cálculo do coeficiente global o estado em que se encontra o equipamento e o problema que ocasionou a incrustação. Desta forma foi possível saber que tipo de incrustação ocorreu através de análises em laboratórios e inspeções visuais periódicas no equipamento conforme perde sua eficiência.

Palavras chave: Trocadores Casco e Tubo, Incrustação, Monitoramento, Análise.

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Dados de Entrada fluido quente (C5+) ........................................................................ Quadro 2 - Dados de Entrada fluido frio (C3+) ............................................................................. Quadro 3 - Características do feixe tubular ...................................................................................

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

𝑈𝑐𝑙 Coeficiente limpo de transferência de calor.^ W/(m²∙°C) 𝑈𝑓 Coeficiente sujo de transferência de calor. W/(m²∙°C)

𝑚̇ (^) 𝑐 Fluxo de massa do fluido frio. kg/h 𝑚̇ (^) ℎ Fluxo de massa do fluido frio. kg/h 𝐶𝑝,𝑐 Calor específico do fluido frio. Kcal/(kg∙°C) 𝐶𝑝,ℎ Calor específico do fluido quente. Kcal/(kg∙°C)

𝐶𝑐 Capacidade térmica do fluido frio.^ Kcal/(h∙°C) 𝐶ℎ Capacidade térmica do fluido quente.^ Kcal/(h∙°C) 𝑡𝑐 1 Temperatura entrada do fluido frio.^ ºC 𝑡𝑐 2 Temperatura de saída do fluido frio. ºC 𝑇ℎ 1 Temperatura entrada do fluido quente. ºC 𝑇ℎ 2 Temperatura de saída do fluido quente. ºC 𝑚𝑙𝑑𝑡 Diferença de temperatura média logarítmica. ºC 𝑚𝑙𝑑𝑡𝑐𝑜𝑟𝑟 Diferença de temperatura média logarítmica corrigida. ºC 𝐹𝑡 Fator de correção. Adimensional 𝐴 Área de transferência de calor.^ m² 𝑄̇𝑟𝑒𝑎𝑙 Taxa real de calor transferido pelo trocador.^ W 𝑄̇𝑚á𝑥 Taxa máxima de calor transferido pelo trocador W 𝑅𝑓 Fator de Incrustação. (m²∙°C)/W

𝜀𝑐𝑙 Efetividade do trocador de calor. Adimensional 𝜀𝑚 Efetividade média do trocador de calor. Adimensional 𝜀𝑓 Efetividade suja do trocador de calor. Adimensional

𝑅 Razão entre as capacidades mínima e máxima dos fluidos.^ Adimensional 𝑒 Espessura de parede do tubo. m 𝑘 Condutividade térmica. m 𝐷𝑖 Diâmetro interno do tubo. m 𝐷𝑜 Diâmetro externo do tubo. W/(m∙K) ℎ𝑖 Coeficiente de convecção interno. W/(m²∙K) ℎ𝑜 Coeficiente de convecção externo. W/(m²∙K) 𝑅𝑖 Fator de deposição interno.^ W/(m²∙K)

𝑅𝑜 Fator de deposição externo. W/(m²∙K) 𝑁𝑇𝑈 Número de unidades de transferência de calor. Adimensional 𝐼𝐹 Índice de incrustação.^ Adimensional 𝑁𝑢 Número de Nusselt.^ Adimensional 𝑃𝑟 Número de Prandtl. Adimensional 𝑅𝑒 Número de Reynolds. Adimensional 𝑣 Viscosidade cinemática. m²/s 𝛼 Difusividade térmica. m²/s ρ Massa específica Kg/m³ μ Viscosidade dinâmica. Pa.s 𝑉 Velocidade média dos fluidos. m/s

1 INTRODUÇÃO

Devido ao surgimento de resistência (sujeiras) nestas instalações relacionadas diretamente com a troca térmica entre os fluidos, é evidenciado que a perda de eficiência nos trocadores de calor é causado pelos variados tipos de incrustações, gerando problemas operacionais que elevam significativamente os custos com manutenção e operação desses equipamentos, causando perda de eficiência térmica e ocasionando perda de produtividade.

Este projeto visa desenvolver uma ferramenta computacional para detalhar o comportamento de um trocador de calor com baixa eficiência, analisando o fator de incrustação através de métodos analíticos e experimentais através dos dados de entrada e saída do fluido quente e do fluido frio tais como: Temperaturas e Vazão operação obtidos pelo “PI Process Book” em um período de 365 dias. Onde visa avaliar as taxas de incrustação através do cálculo de coeficiente global de transferência de calor.

O desenvolvimento desta ferramenta terá um valor baixo em relação a outras ferramentas desenvolvidas nas industrias de processo, pois, por exemplo, se esta análise fosse feita através de um trocador de teste, o custo seria bastante oneroso, devido a aquisição de um trocador padrão, válvulas, instrumentos de medição e mão-de-obra especializada para a execução do serviço. Como demonstrado no fluxograma do ANEXO B.

Este estudo tem a finalidade comparar os resultados experimentais da instalação de um trocador do tipo casco e tubo, com os resultados analíticos da ferramenta desenvolvida. No intuito de examinar o comportamento da incrustação ao longo do tempo através do controle da qualidade de seus fluidos, com a finalidade de reduzir as paradas constantes para manutenção dos trocadores, permitindo estabelecer o tipo de aplicação para melhorias na eficiência das trocas térmicas dos equipamentos.

Portanto, determinar as taxas de incrustação dos trocadores de calor justifica o estabelecimento de parâmetros para o experimento, visando aumentar o número de ferramentas que facilitem a comparação entre dados com outros sistemas, com o intuito de eliminar erros que muitas vezes levam a suspender o funcionamento desses equipamentos

para manutenção. Nos dias atuais, há necessidade de otimizar e promover a interação de ferramentas aos processos industrias baseando-se na diminuição de gastos excedentes com o desempenho nos trocadores de calor, pois, os mesmos devem atender aos requisitos mínimos de confiabilidade de produção e de segurança.

Figura 3 - Trocador de calor casco e tubo 1-n

Para esta análise foi considerado um trocador do tipo casco e tubo em fluxo contracorrente, devido a maior quantidade de troca térmica entre os fluidos, pois, podem assumir formas específicas conforme o número de passes no casco e nos tubos. Onde a sua forma mais simples é de um único passe no casco e nos tubos. Geralmente são colocados chicanas para aumentar o coeficiente convectivo no fluido do lado casco, conforme Figura 2. (Incropera, et al. 2008).

A escolha da configuração do trocador a ser analisada, foi determinada a partir da necessidade do desenvolvimento do estudo, onde às formulações para a ferramenta computacional, levou em consideração um modelo que se encaixasse nos requisitos determinados para os cálculos, conforme Madi (2005; Apud Tonin 2003), neste caso um trocador de casco e tubo com um passe no casco e n passes no tubo. Onde à análise foi contextuada para o trocador P-001, com configuração 1-4, conforme Figura 3.

FONTE: Incropera, et al. (2008).

FONTE: Kakaç; Liu, (2012).

Figura 2 - Trocador de calor casco e tubo 1- 1

2.3. Fator de incrustação

Para Araújo (2014, p.48) a incrustação “fouling” é qualquer depósito indesejável em superfícies de transmissão de calor que aumente as resistências à transferência de calor e ao escoamento, pois, tende a prejudicar o desempenho térmico do equipamento. E conforme Cençel, et al. (2012, p.635) esse desempenho se deteriora com o passar do tempo como resultado do acúmulo de depósitos nas superfícies de transferência de calor. A camada de depósitos representa a resistência adicional à transferência de calor e provoca uma diminuição na taxa de transferência de calor no trocador de calor. O efeito líquido dessas acumulações na transferência de calor é representado pelo fator de incrustação Rf , que é a medida da resistência térmica introduzida pelas incrustações. E segundo Bott, (1995, p.1) o caráter do depósito depende do fluido (líquido ou gás) que passa pelo trocador de calor, causando efeitos indesejados com a variação de temperatura, aumentando assim resistência ao fluxo de calor. Na análise do método comparativo o fator de incrustação depende da temperatura de funcionamento e da velocidade dos fluidos, bem como o tempo de serviço. A incrustação aumenta com o aumento da temperatura e com a diminuição da velocidade (CENÇEL, et al. 2012, p.636).

2.3.1. Categorias das Incrustações

As incrustações podem ser classificadas dependo do tipo de serviço de transferência de calor, do fluxo de fluido e do tipo de aplicação. Devido a vários fatores que causam diversificações nas condições do processo, a maioria das situações de incrustação é praticamente única. Conforme a lista abaixo sugerida por Kakaç; Liu. (2012, p.244).

a) Incrustação particulada: Resultado do acúmulo de partículas sólidas suspensas nas correntes do processo sobre a superfície de troca térmica, exemplo: transporte de cinzas pelos gases de combustão caldeira; Contaminação de condensadores devido a deposição de poeira. b) Incrustação por cristalização: Resultado da cristalização de sais inorgânicos dissolvidos nas correntes de processo, que exibe supersaturação durante o aquecimento ou arrefecimento, exemplo: Sistemas de água de resfriamento que são propensos à deposição de cristais devido à presença de sais como carbonatos, silicatos, cálcio e magnésio.