Feixe de tubos do trocador de calor: cálculos hidrodinâmicos 

Feixe de tubos do trocador de calor: cálculos hidrodinâmicos como base da confiabilidade

Um cálculo preciso da resistência hidráulica de um feixe de tubos determina não apenas o consumo de energia do equipamento de bombeamento, mas também a vida útil de todo o trocador de calor. Em nossa prática de engenharia, encontramos repetidamente situações em que um erro na determinação do coeficiente de resistência local na fase de projeto levou à cavitação e à destruição da placa do tubo após 6 a 8 meses de operação. O principal problema é que as fórmulas padrão muitas vezes não levam em consideração a rugosidade real dos tubos após o uso ou a localização específica das divisórias. Este artigo é dedicado a uma análise detalhada da metodologia de cálculo da queda de pressão no anel e no espaço da tubulação, com base em dados de testes reais, e não apenas em suposições teóricas.

Os engenheiros muitas vezes subestimam o impacto do espaçamento dos tubos e da forma como eles são dispostos na hidráulica geral do sistema. Analisamos mais de 200 projetos onde a mudança da configuração da viga de triangular para corredor permitiu reduzir a resistência hidráulica em 15–20%, mantendo o mesmo desempenho térmico. Porém, tal solução requer o recálculo dos coeficientes de transferência de calor, uma vez que a turbulência do fluxo no feixe do corredor ocorre de forma diferente. A seguir apresentamos algoritmos e fatores de correção específicos que permitem evitar erros típicos na seleção de equipamentos para refino de petróleo e indústrias químicas.

Física do processo e seleção de dados de entrada

O cálculo hidrodinâmico de um feixe de tubos começa não com a substituição de valores na fórmula, mas com a correta determinação do regime de fluxo do fluido. O número de Reynolds (Re) é um critério que separa os regimes laminar, de transição e turbulento, e a escolha do método de cálculo do coeficiente de atrito depende diretamente do seu valor. Para trocadores de calor industriais que operam com meios viscosos, como óleo combustível ou glicerina, o modo é frequentemente transitório, o que cria a maior dificuldade de previsão. Em nossos cálculos, usamos dependências refinadas para a zona de transição, uma vez que os diagramas clássicos de Moody fornecem um erro de até 12% precisamente na faixa Re de 2.300 a 10.000.

Atenção especial deve ser dada à temperatura do meio, pois ela altera dinamicamente a viscosidade e a densidade do líquido ao longo do comprimento do trocador de calor. Usar valores médios de temperatura para todo o feixe de tubos é um erro comum que resulta em uma estimativa incorreta da queda de pressão. Recomendamos dividir o feixe em seções calculadas, especialmente se a diferença de temperatura entre a entrada e a saída for superior a 40°C. Por exemplo, quando o óleo é resfriado de 90°C para 40°C, a viscosidade pode mudar de 3 a 4 vezes, o que altera radicalmente o perfil de velocidade no anel.

Os parâmetros geométricos do feixe, como diâmetro do tubo, espaçamento e número de cursos, devem ser retirados dos desenhos atuais e não dos dados do catálogo do fabricante. O diâmetro interno real dos tubos pode diferir do diâmetro nominal devido às tolerâncias de fabricação e à presença de depósitos (incrustações). Num dos nossos casos de uma planta química, a utilização de um diâmetro nominal sem levar em conta a camada de polimerização fez com que a pressão real na saída da bomba ultrapassasse a calculada em 0,4 MPa, o que provocou uma parada de emergência da linha. Portanto, ao fazer cálculos, inclua sempre um fator de segurança para entupimento de tubulações, principalmente para ambientes propensos à formação de incrustações.

Para inserir os dados corretamente, você precisa conhecer não apenas as propriedades físicas do líquido, mas também o material dos tubos. A rugosidade da superfície interna dos novos tubos de aço é de cerca de 0,05 mm, mas após vários anos de operação esse parâmetro pode aumentar para 0,5 mm ou mais. A escolha do material deve ser baseada na análise da corrosividade do ambiente e da vida útil exigida. É aqui que a experiência de fabricantes comoWuxi Kaisheng Energia Elétrica e Equipamento Petroquímico Co., Ltd.. Especializada no projeto e fabricação de trocadores de calor para ambientes agressivos, a empresa oferece soluções em titânio, aço inoxidável duplex, latão naval (C46400), ligas de cobre-níquel (C70600) e ligas de níquel (N06625). O uso desses materiais certificados ASME e PED fornece rugosidade mínima e alta resistência à corrosão desde o início, o que é fundamental para manter o desempenho hidráulico do projeto ao longo de décadas de serviço nas indústrias de refino de petróleo, química e naval.

Cálculo da queda de pressão no espaço da tubulação

A fórmula básica para determinação da perda de pressão em tubos retos é baseada na equação de Darcy-Weisbach, mas sua aplicação requer seleção cuidadosa do coeficiente de atrito hidráulico. Para o regime de escoamento turbulento, mais comum em equipamentos industriais, utilizamos a fórmula de Altschul, que leva em consideração a rugosidade relativa das paredes. É importante entender que o comprimento da seção calculada deve incluir não apenas seções retas de tubos, mas também o comprimento equivalente das resistências locais criadas pela entrada e saída de líquido dos coletores.

As resistências locais nas entradas e saídas dos tubos são frequentemente responsáveis ​​por até 30% das perdas totais no espaço do tubo, especialmente em trocadores de calor multipassagens. Quando o fluxo gira, zonas de vórtice aparecem nas câmaras de distribuição, que dissipam a energia da pressão. Em nossa prática, utilizamos os seguintes valores de coeficientes de resistência local: 0,5 para a entrada de um tubo com aresta viva e 1,0 para a saída da câmara. Se forem utilizados tubos com bordas escareadas ou seções de entrada com perfil especial, esses coeficientes podem ser reduzidos para 0,05–0,1, o que economiza significativamente energia da bomba.

O número de cursos através do espaço do tubo é um parâmetro crítico que afeta a vazão e, portanto, a perda de pressão. Aumentar o número de cursos de um para dois na mesma vazão dobra a velocidade, o que leva a um aumento de quatro vezes na resistência hidráulica, uma vez que as perdas são proporcionais ao quadrado da velocidade. Este é um compromisso entre a compactação do dispositivo e o consumo de energia. Ao projetar, otimizamos sempre: se a queda de pressão admissível for limitada pelas características das bombas existentes, temos que aumentar o diâmetro dos tubos ou reduzir o número de cursos, sacrificando o coeficiente de transferência de calor.

Não se esqueça do efeito da deformação térmica dos tubos na hidráulica. Com diferenças significativas de temperatura entre o tubo e o anel, os tubos podem dobrar, alterando a seção transversal efetiva do fluxo. Em feixes rigidamente fixados isto pode levar a resistência local adicional. Recomendamos o uso de juntas de dilatação ou cabeçotes flutuantes em aplicações onde a diferença de temperatura excede 50°C para manter o desempenho hidráulico projetado durante toda a vida útil.

Recomendação:Antes da aprovação final do projeto, certifique-se de realizar um cálculo de verificação das vazões operacionais máximas e mínimas para garantir que o sistema permaneça estável em toda a faixa de carga.

Especificações do cálculo do espaço entre tubos com partições segmentadas

A hidráulica annulus é a parte mais difícil do cálculo devido às múltiplas mudanças na direção do fluxo e à presença de folgas entre os defletores e o corpo, bem como entre os defletores e os tubos. As perdas de pressão aqui consistem em perdas por atrito durante o fluxo transversal ao redor do feixe de tubos e perdas nos segmentos de janela das divisórias, onde o fluxo muda de direção em 180 graus. A técnica clássica de Bell-Delaware, modificada pelo padrão TEMA, continua sendo o padrão ouro, mas requer a introdução de muitos fatores de correção.

As lacunas são a principal fonte de fluxos que não participam da troca de calor, mas criam resistência hidráulica. O fluxo entre o defletor e o corpo (A-jet) e o fluxo entre os tubos e o defletor (E-jet) podem atingir 20–30% do fluxo total em aparelhos mal projetados. Nos nossos cálculos utilizamos tolerâncias de fabrico rigorosas: a distância entre a divisória e a caixa não deve exceder 3-5 mm para dispositivos com um diâmetro até 600 mm. Um aumento nesta lacuna além da norma leva a uma queda acentuada na eficiência da transferência de calor e à instabilidade do regime hidráulico.

A etapa de instalação das divisórias afeta diretamente a vazão no espaço entre tubos e a intensidade de vibração dos tubos. Um degrau muito grande reduz a velocidade e prejudica a transferência de calor, enquanto um degrau muito pequeno aumenta catastroficamente a queda de pressão e o risco de destruição por vibração. O passo ideal é geralmente 0,2–0,5 do diâmetro interno do alojamento. Observamos um caso em que a redução do passo do defletor de 300 mm para 150 mm para aumentar a turbulência levou ao fato de que as bombas existentes não conseguiram empurrar o meio através do aparelho. Foi necessária a substituição das divisórias por espaçadores, o que reduziu a resistência, mas exigiu o recálculo da potência térmica.

A localização dos tubos em relação às partições também desempenha um papel. Na área das janelas segmentadas, a velocidade do fluxo pode ser significativamente maior do que na parte central do feixe, o que cria erosão irregular dos tubos. Para ambientes que contenham partículas abrasivas, recomendamos a instalação de placas de proteção ou o uso de placas tubulares mais espessas nessas áreas. Também é importante considerar a orientação do feixe: uma disposição vertical dos defletores pode facilitar uma melhor remoção dos jatos de gás, mas complica a drenagem do líquido durante o desligamento.

A taxa de utilização da área de feixe das janelas divisórias deve ser verificada cuidadosamente. Se os tubos ocuparem mais de 70% da área da janela, a velocidade do fluxo nesta seção torna-se excessiva, causando cavitação e ruído. Nestes casos, é aconselhável retirar alguns tubos da zona da janela ou aumentar o diâmetro da caixa. Nossos engenheiros usam software especializado de modelagem de fluxo (CFD) para visualizar áreas de estagnação e velocidade excessiva antes da prototipagem.

Ação:Verifique o desenho do seu trocador de calor para garantir que as folgas atendem aos requisitos do GOST R 53683 ou do padrão TEMA Classe R/C/B, pois desvios superiores a 1 mm podem invalidar o cálculo.

Levando em consideração o impacto da contaminação e do envelhecimento dos equipamentos

Qualquer cálculo teórico perde relevância se o fator de contaminação das superfícies de troca de calor durante a operação não for levado em consideração. Depósitos nas paredes dos tubos (incrustações) não só reduzem o coeficiente de transferência de calor, mas também reduzem a área de fluxo, aumentando a velocidade do fluxo e a resistência hidráulica. O coeficiente de poluição é selecionado com base no tipo de ambiente de trabalho: para água limpa pode ser de 0,0001 m²·K/W, e para óleo combustível ou borra de óleo pode atingir 0,0008 m²·K/W e superior.

A dinâmica de crescimento dos depósitos não é linear: a contaminação mais intensa ocorre nos primeiros meses de operação, após os quais a taxa de formação de camadas se estabiliza. Porém, se o regime tecnológico for violado (por exemplo, superaquecimento da parede do tubo), pode iniciar-se o processo de coqueificação ou cristalização dos sais, o que desabilita rapidamente o dispositivo. Nas nossas recomendações aos clientes, sempre indicamos a necessidade de monitoramento regular da pressão diferencial. Um aumento no ΔP em 15–20% do valor calculado de um dispositivo limpo é um sinal da necessidade de lavagem química ou limpeza mecânica.

A rugosidade da superfície também muda com o tempo. A corrosão pode aumentar a rugosidade equivalente dos tubos de aço de 5 a 10 vezes. Para ambientes agressivos, recomendamos fortemente a utilização de tubos com revestimento anticorrosivo ou aço inoxidável duplex, apesar do alto custo. O período de retorno para tal solução, devido à redução dos custos de bombeamento e ao aumento da quilometragem entre os reparos, é geralmente inferior a dois anos. Ignorar este fator leva ao fato de que após 3 anos de operação, os equipamentos de bombeamento operam em condições extremas, consumindo o excesso de energia elétrica.

Os métodos de limpeza também afetam a hidráulica. A lavagem hidrodinâmica de alta pressão é eficaz na remoção de depósitos moles, mas pode danificar a superfície dos tubos, tornando-os mais ásperos. A lavagem química com ácidos remove bem as incrustações, mas requer neutralização e pode causar corrosão se a concentração dos reagentes estiver incorreta. Desenvolvemos procedimentos de limpeza para vários tipos de contaminantes, que nos permitem restaurar as características hidráulicas do dispositivo para 90–95% do nível de equipamentos novos.

Ao projetar novos sistemas, é importante permitir fácil desmontagem e acesso ao feixe de tubos para limpeza. Os feixes removíveis (tipo cabeça flutuante) são preferidos para ambientes com alto potencial de contaminação, embora tenham design mais complexo e custo mais elevado. Em um projeto de refinaria, a substituição de uma viga fixa por uma removível reduziu o tempo de inatividade para manutenção de 5 dias para 8 horas, o que pagou pela atualização em um trimestre.

Conselho:Incorporar sensores de pressão diferencial no projeto na entrada e saída do trocador de calor para monitoramento contínuo do grau de contaminação em tempo real.

Erros típicos de projeto e métodos para eliminá-los

Um dos erros mais comuns é ignorar a influência das tubulações de entrada e saída na distribuição do fluxo na carcaça. Se a tubulação estiver mal posicionada, ocorre o efeito de “zonas mortas”, onde o líquido praticamente não circula, e zonas de superaquecimento local. Vimos casos em que, devido à colocação inadequada do tubo de entrada, a temperatura da parede numa determinada zona do feixe ultrapassou o limite permitido em 30°C, o que levou à queima dos tubos. A solução é usar placas de distribuição ou bicos de entrada que uniformizem o perfil de velocidade.

Outro problema comum é a escolha incorreta do material para vedações e gaxetas, o que afeta a estanqueidade das câmaras e, indiretamente, a hidráulica devido a vazamentos. Em altas temperaturas, as vedações de borracha perdem a elasticidade e começam a vazar líquido de um curso para outro, desviando do feixe de tubos. Isto reduz o fluxo efetivo através da área de trabalho e distorce os dados dos dispositivos de controle. Para temperaturas acima de 200°C, usamos apenas juntas espirais preenchidas com grafite ou vedações metálicas.

A subestimação das cargas de vibração durante os cálculos hidráulicos pode levar a consequências fatais. A liberação de vórtices dos tubos em certas vazões pode entrar em ressonância com a frequência natural de vibração do feixe de tubos. Este fenômeno, conhecido como vibração induzida por fluxo, pode destruir tubulações em questão de semanas. O cálculo deve incluir uma verificação da velocidade crítica do fluxo. Se a velocidade de operação estiver próxima do crítico, é necessário instalar suportes adicionais ou barras antivibratórias.

A utilização de dados normativos desatualizados para coeficientes de resistência locais também introduz um erro significativo. Os tubos modernos têm geometria e qualidade de superfície diferentes em comparação com produtos de 30 anos atrás. Recomendamos confiar nas pesquisas e dados mais recentes de fabricantes que foram verificados por laboratórios independentes. Em particular, a ISO 16812 e a API 660 contêm requisitos atuais para o projeto e segurança de trocadores de calor de casco e tubos.

Deixar de levar em consideração os fluxos bifásicos no cálculo de condensadores ou evaporadores é um erro grave. A hidráulica de uma mistura vapor-líquido é radicalmente diferente de um líquido monofásico devido às mudanças na densidade e à ocorrência de deslizamento de fase. As perdas de pressão na zona de condensação podem ser imprevisíveis sem o uso de correlações especiais (por exemplo, a técnica de Lockhart-Martinelli). Em nossos projetos para tais dispositivos, sempre realizamos cálculos passo a passo ao longo do comprimento do trocador de calor, levando em consideração a variação do teor de massa do vapor.

Cuidado:Nunca copie cegamente parâmetros de projetos antigos sem verificar novamente; as condições operacionais e as propriedades da matéria-prima podem ter mudado, tornando o cálculo antigo perigoso.

Aplicação prática dos resultados dos cálculos na seleção de equipamentos

Os resultados dos cálculos hidrodinâmicos são a base para a seleção do equipamento de bombeamento. A bomba deve fornecer a pressão necessária, levando em consideração a margem de envelhecimento do sistema e possível golpe de aríete. Normalmente, recomendamos a escolha de uma bomba com reserva de altura manométrica de 10-15% do valor de projeto, mas não mais, para evitar operar em uma zona característica ineficiente e a necessidade de estrangular o fluxo, o que leva à perda de energia.

Os dados de cálculo também são usados ​​para otimizar o projeto do próprio trocador de calor. Se o cálculo mostrar uma queda de pressão excessiva, o engenheiro poderá decidir aumentar o diâmetro do alojamento, alterar o espaçamento do defletor ou mudar para um projeto multipassagem. Essas alterações implicam um recálculo do custo e das dimensões do dispositivo. Nosso objetivo é encontrar um equilíbrio entre despesas de capital (CAPEX) para equipamentos e custos operacionais (OPEX) para energia ao longo de todo o ciclo de vida.

Um aspecto importante é o cumprimento das normas de segurança ambiental e industrial. Por exemplo, a norma GOST 31842-2012 (análoga à EN 13445) regula métodos para calcular a resistência e estabilidade dos elementos do trocador de calor, incluindo a consideração de cargas hidráulicas. O não cumprimento destas normas pode resultar na recusa de aceitação do equipamento pelas autoridades reguladoras. Garantimos que todos os nossos cálculos são realizados em estrita conformidade com os regulamentos atuais da Federação Russa e com as normas internacionais ASME e TEMA.

A automação dos processos de cálculo permite reduzir o tempo de projeto e minimizar o fator humano. Utilizamos scripts próprios e softwares licenciados (HTRI, Aspen EDR), que nos permitem realizar milhares de iterações em um curto espaço de tempo, encontrando a solução ideal. No entanto, a automação não substitui o pensamento da engenharia: a interpretação dos resultados e a tomada de decisões finais cabem a um especialista experiente.

Para clientes da indústria de petróleo e gás, analisamos adicionalmente os riscos associados ao golpe de aríete quando as válvulas são fechadas rapidamente. O cálculo hidrodinâmico ajuda a determinar o tempo para o fechamento seguro da válvula e a necessidade de instalação de amortecedores de pulsação. Isto evita a destruição de soldaduras e ligações de flange durante o arranque ou encerramento da instalação.

Perguntas frequentes

Como a rugosidade do tubo afeta a resistência hidráulica?

A rugosidade das paredes do tubo é um fator determinante para o coeficiente de atrito em condições turbulentas. Um aumento na rugosidade absoluta de 0,05 mm (aço novo) para 0,5 mm (tubo antigo) pode aumentar a resistência hidráulica da viga em 1,5–2 vezes. Isto leva diretamente a um aumento no consumo de energia pelas bombas. Para um cálculo preciso, é necessário utilizar dados atuais sobre o estado das tubulações ou definir um coeficiente de envelhecimento previsto com base na composição química do meio bombeado.

Qual método de cálculo do espaço entre tubos é considerado o mais preciso?

O mais preciso e reconhecido na prática mundial é o método Bell-Delaware, que leva em consideração todos os principais caminhos do fluxo do líquido (através de fendas, ao redor da viga, em janelas divisórias). É implementado na maioria dos sistemas de software profissionais e é recomendado pelo padrão TEMA. Métodos simplificados que não levam em conta os fluxos podem produzir um erro de até 40% no sentido de subestimar a resistência, o que é inaceitável para projetos sérios.

É possível reduzir a queda de pressão sem substituir o trocador de calor?

Sim, existem maneiras de modernizar. O mais eficaz é remover parte dos defletores (se uma redução na transferência de calor for aceitável) ou substituir os defletores segmentados por defletores de haste, que criam significativamente menos resistência. A limpeza química de depósitos de tubos também ajuda. Em alguns casos, basta substituir a bomba por um modelo com características diferentes se a margem de desempenho permitir que ela opere com pressão reduzida.

Por que é importante levar em consideração o número de movimentos no cálculo?

O número de cursos determina o comprimento do percurso do fluido e sua velocidade. Aumentar o número de golpes aumenta a velocidade, o que melhora a transferência de calor, mas aumenta quadraticamente a perda de carga. Um erro na escolha do número de cursos pode fazer com que a bomba simplesmente não consiga bombear o volume necessário de líquido através do dispositivo. O cálculo deve equilibrar rigorosamente a eficiência térmica e as capacidades hidráulicas da infra-estrutura existente.

Resumindo, podemos dizer que o cálculo hidrodinâmico competente de um feixe tubular de trocador de calor não é apenas um exercício acadêmico, mas uma condição necessária para a operação confiável e econômica do empreendimento. Os erros nesta fase custam caro: desde o consumo excessivo de energia até paragens de emergência da produção. Nossa equipe tem muitos anos de experiência na realização de tais cálculos para dispositivos de qualquer complexidade e está pronta para lhe oferecer a solução de engenharia ideal, comprovada por números e pela prática.

Se você estiver enfrentando problemas de alta pressão em seu equipamento de troca de calor ou estiver planejando um novo projeto, entre em contato conosco para obter orientação. Auditaremos seu sistema, realizaremos um cálculo de verificação e ofereceremos opções de otimização que economizarão seus recursos.Contate-nos hojepara discutir os detalhes do seu projeto com os principais engenheiros do setor.

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