Para o layout preliminar de uma planta piloto, calcule a pegada do trocador como seu comprimento total instalado multiplicado pela sua largura máxima instalada e, em seguida, adicione as folgas de acesso e manutenção necessárias ao seu redor. O envelope do trocador é desenvolvido a partir da área de transferência de calor necessária, contagem de tubos, diâmetro do casco, comprimento dos tubos, cabeçotes, suportes e bocais. Em um arranjo horizontal simples, a pegada apenas do equipamento é aproximadamente o diâmetro externo do casco, incluindo suportes, multiplicado pelo comprimento total de ponta a ponta.
A pegada não é determinada apenas pelo comprimento dos tubos. Dimensione primeiro o feixe térmico, converta a geometria do feixe em um diâmetro de casco, estabeleça o envelope completo do equipamento e, então, reserve espaço adicional para operação, inspeção, remoção do feixe de tubos, tubulação e manutenção.
Comece com a Área de Transferência de Calor Necessária
Estabeleça a área de projeto térmico
A área de transferência de calor necessária (A necessária) provém da carga do processo e do coeficiente global de transferência de calor selecionado:
[ A_{\text{necessária}} = \frac{Q}{U F \Delta T_{\text{lm}}} ]
onde (Q) é a carga térmica, (U) é o coeficiente global de transferência de calor, (F) é qualquer fator de correção para o método de diferença de temperatura e (\Delta T_{\text{lm}}) é a diferença de temperatura média logarítmica.
Para o trabalho de layout, inclua a margem de projeto especificada antes de calcular a contagem de tubos. A margem deve ser baseada na base de projeto do projeto, em vez de assumida indiscriminadamente, pois uma área em excesso pode aumentar o tamanho, o peso e o custo do equipamento.
Calcule o número de tubos
A área efetiva de transferência de calor externa de um tubo é aproximadamente:
[ A_{\text{tubo}} = \pi d_o L_{\text{ativa}} ]
Portanto:
[ N_t = \frac{A_{\text{necessária}}} {\pi d_o L_{\text{ativa}}} ]
onde (d_o) é o diâmetro externo do tubo e (L_{\text{ativa}}) é o comprimento efetivo do tubo.
O resultado deve ser arredondado para cima para uma contagem de tubos viável. A contagem selecionada também depende do número de passes dos tubos, layout da placa espelhada, queda de pressão permitida, velocidade do fluxo e a geometria padrão do feixe do fabricante.
Converta a Contagem de Tubos em Diâmetro do Casco
Selecione o arranjo dos tubos
O layout dos tubos afeta tanto o diâmetro do casco quanto a manutenibilidade do trocador.
- Passo triangular geralmente fornece um feixe compacto e alta densidade de área superficial.
- Passo quadrado oferece melhor acesso para limpeza mecânica entre os tubos.
- O passo dos tubos é comumente selecionado próximo a (1.25d_o), sujeito a requisitos mecânicos, de fabricação, vibração e limpeza.
Diâmetros externos de tubo preliminares comuns incluem aproximadamente (3/4) polegada e 1 polegada. Tubos maiores podem ser selecionados para serviços sujos ou altamente viscosos, onde o acesso para limpeza é importante.
Estime o diâmetro do feixe
O diâmetro do feixe de tubos (D_b) é determinado a partir do número de tubos, diâmetro externo do tubo, passo do tubo, padrão de layout e número de passes dos tubos. Para dimensionamento preliminar, podem ser usadas correlações padrão de contagem de feixes ou tabelas do fabricante.
Uma correlação expressa a contagem de tubos como uma função de:
[ C = \frac{D_b}{d_o} - 36 ]
Por exemplo, a estimativa de um passe é:
[ N_t = 1298 + 74.86C + 1.283C^2
- 0.0078C^3 - 0.0006C^4 ]
Coeficientes separados são usados para arranjos de dois, quatro e seis passes. Essas correlações são adequadas para estimativas preliminares, mas o diâmetro final do casco deve vir de um projeto mecânico detalhado ou desenho do fornecedor.
Considere as folgas do casco e de construção
O diâmetro interno do casco deve exceder o diâmetro do feixe de tubos. O diâmetro externo do casco é, então, ainda maior devido à espessura da parede do casco, isolamento, revestimento, acessórios externos e tolerâncias de fabricação.
Para um layout preliminar:
[ D_{\text{casco,DE}} \approx D_b + 2(\text{folga feixe-casco})
- 2(\text{espessura da parede do casco}) ]
Esta expressão é apenas uma aproximação de layout. O diâmetro real do casco deve levar em conta defletores, tirantes, construção da placa espelhada, placas de partição de passe, expansão diferencial e regras de projeto mecânico aplicáveis.
Determine o Comprimento Total do Equipamento
Inclua o comprimento ativo do tubo
O comprimento ativo do tubo é a parte que contribui para a transferência de calor. Comprimentos padrão de tubos de trocadores podem ser usados inicialmente, mas plantas piloto frequentemente impõem limites baseados no espaço disponível no piso, transporte, acesso e construção modular.
O comprimento do casco não é necessariamente idêntico ao comprimento do tubo. Placas espelhadas, cabeçotes de canal, tampas, juntas de expansão, espaçamento de defletores e projeções de bocais podem aumentar a dimensão de ponta a ponta.
Adicione cabeçotes e folgas nas extremidades
Uma expressão preliminar prática é:
[ L_{\text{total}} = L_{\text{ativa}}
- L_{\text{cabeçote frontal}}
- L_{\text{cabeçote traseiro}}
- L_{\text{projeções de bocal e tampa}} ]
Se apenas uma estimativa simples estiver disponível, as tolerâncias dos cabeçotes podem ser representadas como folgas nas extremidades adicionadas ao comprimento ativo do tubo. Para um layout real, use a dimensão total do trocador a partir de um desenho preliminar do equipamento, em vez de confiar em uma tolerância genérica.
A orientação importa. Um trocador horizontal geralmente tem uma pegada de planta retangular longa, enquanto um trocador vertical pode ocupar uma área de piso menor, mas exigir mais folga vertical e uma zona de manutenção maior.
Calcule a Pegada Apenas do Equipamento
Use as dimensões máximas instaladas
Para um trocador horizontal, o envelope básico do equipamento pode ser estimado como:
[ A_{\text{equipamento}} = L_{\text{total}} \times W_{\text{instalada}} ]
onde (W_{\text{instalada}}) é a largura horizontal máxima, não necessariamente o diâmetro do casco nu.
Uma primeira aproximação é:
[ W_{\text{instalada}} = D_{\text{casco,DE}}
- 2(\text{projeção do suporte ou sela}) ]
Inclua o maior valor entre o diâmetro do casco, largura da sela, largura do cabeçote do canal, projeção do flange ou outro recurso externo permanente.
Adicione zonas de layout e manutenção
O espaço reservado no piso deve ser maior que o envelope de aço do equipamento:
[ A_{\text{alocada}} = (L_{\text{total}} + 2C_L) (W_{\text{instalada}} + 2C_W) ]
onde (C_L) e (C_W) são folgas específicas do projeto para acesso, inspeção, válvulas, isolamento, tubulação e manutenção.
Essas folgas não são constantes universais. Elas devem ser definidas pelo padrão de layout da planta, fornecedor do equipamento, método de manutenção e o caminho de extração do feixe de tubos necessário.
Um Cálculo Preliminar Prático
Exemplo de base de dimensionamento
Suponha que um projeto preliminar produza:
- Comprimento ativo do tubo: (8) pés
- Diâmetro do feixe de tubos: (18) pol
- Diâmetro externo do casco: (20) pol
- Comprimento total do trocador após adicionar cabeçotes e projeções: (10) pés
- Projeção do suporte além do casco: (4) pol no total
- Folga de layout: (2) pés em cada extremidade e (2) pés em cada lado
A largura instalada é aproximadamente:
[ W_{\text{instalada}} = 20\text{ pol} + 4\text{ pol} = 24\text{ pol} = 2\text{ pés} ]
A pegada apenas do equipamento é, portanto:
[ A_{\text{equipamento}} = 10\text{ pés} \times 2\text{ pés} = 20\text{ pés}^2 ]
A área de piso alocada preliminar torna-se:
[ A_{\text{alocada}} = (10 + 2 + 2)(2 + 2 + 2) = 14 \times 6 = 84\text{ pés}^2 ]
O valor de (20\text{ pés}^2) descreve o envelope físico do equipamento. O valor de (84\text{ pés}^2) é uma tolerância de planejamento mais realista para uma unidade horizontal com as zonas de acesso declaradas.
Considere Recursos que Alteram a Pegada
Inclua suportes e projeções externas
Selas, pernas, estruturas de base, isolamento, olhais de içamento, tampas de canal, flanges e bocais podem controlar as dimensões reais da planta. A maior projeção permanente deve governar a largura e o comprimento usados para o layout.
Reserve espaço para remoção do feixe de tubos
Um feixe removível pode exigir um caminho de extração reto além de uma extremidade do trocador. Esse caminho pode ser muito mais longo do que a folga do cabeçote do trocador e pode precisar permanecer desobstruído por outros equipamentos ou tubulações permanentes.
Essa zona de manutenção faz parte da alocação de espaço funcional da planta piloto, mesmo que não faça parte da pegada de aço do trocador.
Considere a tubulação e o acesso do operador
A orientação dos bocais e o arranjo da tubulação podem criar uma pegada maior do que o próprio vaso. Deixe espaço para válvulas de isolamento, instrumentos, drenos, respiros, isolamento e uma rota de acesso do operador.
Entendendo as Compensações
Trocadores mais curtos podem exigir diâmetros maiores
Se o comprimento do tubo for reduzido enquanto a carga permanece constante, mais tubos são necessários:
[ N_t \propto \frac{1}{L_{\text{ativa}}} ]
O feixe e o casco resultantes podem se tornar maiores em diâmetro. Passes adicionais de tubos ou defletores também podem ser usados para manter a velocidade e o desempenho da transferência de calor, mas essas mudanças podem aumentar a queda de pressão, o peso e o custo.
A compacidade pode reduzir a capacidade de limpeza
Um passo triangular geralmente produz um diâmetro de casco menor e maior densidade de área. No entanto, é menos adequado quando as superfícies dos tubos do lado do casco exigem limpeza mecânica externa.
O passo quadrado pode aumentar o diâmetro do trocador, mas fornecer um acesso de manutenção mais prático.
O tamanho térmico não determina todas as necessidades de espaço
Um pequeno diâmetro de casco não garante uma instalação pequena. Cabeçotes, bocais, suportes, acesso elétrico ou de instrumentação, tubulação, isolamento e remoção de feixes podem dominar a área alocada.
Correlações preliminares têm limites
As correlações de contagem de tubos fornecem estimativas iniciais úteis, mas não substituem um desenho de contorno do fornecedor ou um projeto mecânico. O layout final deve ser baseado em dimensões certificadas, caminhos de componentes removíveis, cargas de suporte e os padrões aplicáveis de vasos de pressão e trocadores.
Fazendo a Escolha Certa para o Seu Objetivo
Use o dimensionamento térmico para estabelecer o envelope do trocador, depois use os requisitos mecânicos e de manutenção para estabelecer a alocação real da planta piloto.
- Se o seu foco principal é o layout preliminar do processo: Multiplique o comprimento total instalado pela largura máxima instalada e, em seguida, adicione folgas conservadoras de acesso e tubulação.
- Se o seu foco principal é a aquisição de equipamentos: Especifique a área necessária, diâmetro do tubo, comprimento do tubo, layout, arranjo de passes e quedas de pressão permitidas, então obtenha as dimensões de contorno e manutenção do fornecedor.
- Se o seu foco principal é uma planta piloto compacta: Avalie comprimentos de tubo mais curtos e passes adicionais cuidadosamente, porque o comprimento reduzido pode aumentar o diâmetro do casco, queda de pressão, peso e custo.
- Se o seu foco principal é a manutenibilidade: Reserve o caminho completo de extração do feixe de tubos e selecione um layout de tubos compatível com o método de limpeza pretendido.
- Se o seu foco principal é o projeto final da instalação: Use as dimensões permanentes máximas do trocador, orientação dos bocais, geometria do suporte, isolamento, tubulação e envelope de manutenção em vez das dimensões do casco nu.
Uma estimativa de pegada confiável combina dimensionamento térmico, dimensões do envelope mecânico e a folga necessária para operar e manter o trocador com segurança.
Tabela de Resumo:
| Etapa de planejamento | O que calcular ou incluir | Por que é importante |
|---|---|---|
| Dimensionamento térmico | Carga térmica, coeficiente global de transferência de calor, LMTD, margem de projeto e área necessária | Estabelece o tamanho do trocador |
| Feixe de tubos | Contagem de tubos, diâmetro, comprimento, passo, arranjo e passes | Determina o diâmetro do feixe e o tamanho do casco |
| Envelope do equipamento | DE do casco, cabeçotes, suportes, bocais, flanges, isolamento e projeções | Define o comprimento e a largura instalados |
| Pegada do equipamento | Comprimento total instalado x largura máxima instalada | Representa a área física do equipamento |
| Área de piso alocada | Envelope do equipamento mais folgas de acesso, tubulação, operação e inspeção | Suporta a operação segura e o planejamento do layout |
| Zona de manutenção | Caminho de extração do feixe de tubos e espaço de serviço desobstruído | Garante acesso para inspeção e manutenção |
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