UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

MARTA CRISTINA COSTA CARDOZO – 08133001018

NAZARENO MACIEL DOS SANTOS JUNIOR – 09133000518

WELLINGTON CESAR MAZALL - 09133000918

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

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

3. 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

4. DEFINIÇÃO DO MATERIAL..................................................................................................11

REFERÊNCIAS..............................................................................................................................13

ANEXO........................................................................................................................................14

2

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.

3

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:

q=h1∆T 1[W /m2]

(1)

Onde h1 é coeficiente de transferência de calor, e ∆T 1 é a queda de

temperatura do fluído quente na parede. Assim sendo para condução teremos a

seguinte equação:

q=λ ∆Tt

(2)

Onde λ é condutividade térmica da parede na espessura t , e ∆T 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/h2, e através da parede t/λ, teremos uma equação da resistência

total:

1U

= 1h1

+ tλ+ 1h2

(3)

Onde U 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:

q=U (∆T )

7

(4)

Sendo ∆T 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/m2.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:

Q=qA= Aλt∆T

(5)

Onde A é a área total das superfícies dos tubos expressa pela equação:

8

A=(2π r ) L.n

(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 (∆ p

), exigindo que a tensão na parede (σ ) seja inferior ao limite elástico (σ y) do

material de fabricação dos mesmos, sendo essa tensão a seguinte:

σ=∆ prt

<σ y

(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:

Q= A∆T∆ pr

(λσ y)

(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 (λ) e o limite

elástico do material (σ y), logo:

M 1=( λσ y)

(9)

9

Modo de Carregamento FormaÍndice de MéritoRigidez Resistência

FlexãoBarra, Tubo E1/2 /  2/3 / 

Chapa E1/3 /  1/2 / 

Tração Barra E /   / 

FlambagemColuna, tubo E1/2 /  -

Chapa E1/3 /  -

Torção Barra, Tubo G /   / 

Pressão internaVaso de pressão cilíndrico E /   / 

Vaso de pressãoesférico

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.

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

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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 (λ) 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;

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:

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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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REFERÊNCIASFALCÃO, 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:

q=350 (50−22 )

q=9800W /m2

Para área da superfície dos tubos:

A=2π ×0,02×1,5×20

A=3,7699m2

Para carga térmica:

Q=9800×3,7699

Q=36945W

Para condutividade térmica:

λ=36945× 0,0043,7699×28

λ=1,4W /m. K

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