O trocador de calor mais amplamente utilizado: trocador de calor de casco e tubo

Introdução

Trocadores de calor são componentes essenciais em muitos processos industriais e comerciais, permitindo a transferência de calor de um meio para outro sem contato direto. Entre os muitos tipos disponíveis - incluindo trocadores de calor de placas, tubos aletados, espirais e tubos duplos - o trocador de calor de casco e tubo (STHE) se destaca como o mais utilizado globalmente. Sua versatilidade, durabilidade e eficiência fazem dele a base do gerenciamento térmico em setores como geração de energia, petróleo e gás, HVAC, processamento químico e muito mais.

O que é um trocador de calor casco e tubo?

Um trocador de calor de casco e tubo consiste em uma série de tubos encerrados em um casco cilíndrico. Um fluido flui através dos tubos, enquanto outro fluido flui sobre os tubos (dentro do invólucro) para trocar calor. Este contato indireto garante a transferência térmica sem mistura de fluidos.

Estrutura Básica:
Tubos: Normalmente dispostos em feixes e podem ser retos ou em forma de U.

Shell: Um recipiente cilíndrico que envolve os tubos, contendo o segundo fluido.

Folhas de tubos: placas que mantêm os tubos na posição e isolam os fluidos.

Defletores: Guiam o fluido do lado do casco para aumentar a turbulência e a transferência de calor.

Cabeças ou tampas: Direcione o fluido para dentro e para fora dos tubos.

Princípio de funcionamento

O principal princípio de funcionamento de um trocador de calor de casco e tubo é a transferência de calor baseada em convecção entre dois fluidos em temperaturas diferentes. O calor flui do fluido mais quente para o mais frio através da parede do tubo.

Existem três configurações principais de fluxo:

Fluxo Paralelo – Ambos os fluidos se movem na mesma direção.

Contrafluxo – Os fluidos se movem em direções opostas para maior eficiência.

Fluxo cruzado – Os fluidos fluem perpendicularmente entre si.

Variantes de design

Para atender a diversas aplicações, os trocadores de calor de casco e tubos são projetados em diferentes configurações:

Passagem única ou passagem múltipla (o fluido faz uma ou múltiplas passagens pelos tubos)

Chapa Tubo Fixa – Simples e econômica; limitado a baixa expansão térmica.

Cabeça flutuante ou tubo em U – Acomoda expansão térmica; limpeza e manutenção mais fáceis.

Padrões TEMA – A Associação de Fabricantes de Trocadores Tubulares (TEMA) padroniza STHEs ​​em classes (R, C, B) para uso em refinaria, comercial e químico.

Por que é o mais amplamente utilizado?

1. Versatilidade
Os trocadores de casco e tubos podem suportar uma ampla faixa de temperaturas (até 1000°C) e pressões (até 500 bar). Eles são personalizáveis ​​para muitos requisitos de processo, fluidos e ambientes de instalação.

2. Durabilidade e Confiabilidade
Construídos com materiais robustos como aço inoxidável, titânio ou Inconel, esses trocadores são adequados para ambientes corrosivos e de alto estresse. Eles têm uma longa vida operacional com manutenção adequada.

3. Escalabilidade
Eles estão disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos — desde pequenas unidades para laboratórios até grandes instalações industriais.

4. Facilidade de manutenção
Modelos como tubo em U ou designs de cabeça flutuante permitem a limpeza e a substituição do tubo sem desmontar todo o sistema.

5. Eficiência Térmica
Com projeto apropriado (por exemplo, defletores, passagens múltiplas), os STHEs podem alcançar uma transferência de calor muito eficiente, especialmente em arranjos de contrafluxo.

Aplicativos comuns

1. Indústria de Petróleo e Gás
Lubrificantes de refrigeração e fluidos hidráulicos

Recuperação de calor de gases de combustão

Condensação de vapor e vapores

2. Geração de energia
Aquecedores de água de alimentação

Condensadores de vapor em usinas termelétricas

3. Processamento Químico
Controle de temperatura de reatores

Aquecimento e resfriamento do produto

4. HVAC e refrigeração
Sistemas de água gelada

Condensadores e evaporadores

5. Marinha e Aeroespacial
Sistemas de refrigeração do motor

Recuperação de calor residual

Materiais de Construção
A seleção do material é crítica e depende da temperatura, pressão e resistência à corrosão:

Aço Carbono – Comum para aplicações de baixo custo.

Aço Inoxidável – Alta resistência à corrosão.

Ligas de Cobre – Excelente condutividade térmica.

Titânio – Usado para água do mar ou fluidos altamente corrosivos.

Ligas de Níquel (Inconel, Hastelloy) – Para ambientes extremos.