ROCADOR DE CALOR EM SERPENTINA PARA AQUECIMENTO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL: Separador de Água e Óleo

TROCADOR DE CALOR EM SERPENTINA PARA AQUECIMENTO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL

1 Universidade Federal da Bahia, Escola Politécnica. Departamento de Engenharia Mecânica

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RESUMO – A importância deste trabalho é analisar através de métodos experimentais o processo de troca térmica entre fluidos por meio de serpentinas. Será usado um protótipo que descreverá esse sistema, e por meio de cálculos e de medições de temperaturas veremos como o sistema é influenciado pelo material a ser utilizado, pela variação da temperatura do fluido térmico, pelo isolamento dos sistemas e pela área de contato a qual o conjunto será exposto.    

1. INTRODUÇÃO

Como é visto nas indústrias petroquímicas e petrolíferas, o aquecimento de óleo combustível pesado é necessário para que seja possível o armazenamento e a transferência desse produto que será usado na queima em fornos de pirólise e caldeiras de geração de vapor.

A principal função desse aquecimento é reduzir a viscosidade do óleo através de aquecimento interno no tanque de armazenamento, por meio de serpentinas que tem como fluido térmico o condensado de média pressão resultante da exaustão de turbinas a vapor.

Esse sistema de aquecimento faz parte de projeto de integração energética, já que está sendo aproveitada a energia residual do condensado do processo de geração de energia.

Além disso, o ganho energético em termo de eficiência de queima do óleo é maior já que esse combustível é admitido aos fornos e caldeiras com uma temperatura elevada.

Para melhorar ainda mais o ganho energético o costado do tanque e tubulações deverão ser envolvidos com isolamento térmico, reduzindo assim, perdas de calor para o meio ambiente. Em muitos projetos se faz necessário à pintura na cor preta desse sistema para aumentar a absorção da radiação solar com detrimento na diminuição da perda de calor para o meio ambiente.

Existe ainda, uma recirculação do fluido térmico (condensado frio) na saída da serpentina para o próprio tanque de aquecimento, aproveitando energia térmica que ainda há nesse fluido, além de economizar no custo de novo tratamento de uma nova quantidade de água que seria desmineralizada para o processo.

O principal cuidado na operação desse tanque é o controle do PVR (Pressão de Vapor Relativa), pois esse tanque possui teto fixo.  Um aumento brusco da temperatura pode causar uma elevação da pressão interna levando a uma explosão.

As principais desvantagens no uso desse tipo de trocador são: dificuldade de limpeza das serpentinas e dificuldade em inspecionar as serpentinas.

Sobre o óleo combustível pesado: O óleo combustível derivado de petróleo, também chamado óleo combustível pesado ou óleo combustível residual, é a parte remanescente da destilação das frações do petróleo, designadas de modo geral como frações pesadas, obtidas em vários processos de refino. A composição bastante complexa dos óleos combustíveis depende não só do petróleo que os originou, como também do tipo de processo e misturas que sofreram nas refinarias, de modo que pode-se atender as várias exigências do mercado consumidor numa ampla faixa de viscosidade.

Largamente utilizados na indústria moderna para aquecimento de fornos e caldeiras, ou em motores de combustão interna para geração de calor, os óleos combustíveis subdividem-se em diversos tipos, de acordo com sua origem e características.

A escolha do óleo combustível como fonte energética em equipamentos industriais prevê o máximo de eficiência possível na queima dos mesmos. Deve-se levar em conta as recomendações do fabricante do equipamento, e aspectos de segurança relativos à armazenagem, transporte e manuseio do produto, para que sejam evitados maiores problemas.

O objetivo deste trabalho é construir um protótipo de trocador de calor para estudo de eficiência térmica entre dois fluidos com temperaturas distintas para análise de aplicações em sistemas de aquecimento de óleo combustível de alta viscosidade que será usado em caldeiras e fornos. As temperaturas do óleo após a troca térmica devem estar entre 31,7 – 41,7.

                                                                                         

2.  METODOLOGIA

Para a simulação desse processo de aquecimento será utilizado um protótipo que descreverá o processo de aquecimento do óleo combustível. A finalidade é que o óleo armazenado em tanque alcance um intervalo pré-definido de temperatura que garanta que a viscosidade do óleo esteja dentro da faixa desejável. Isso é importante para que o bombeio até as caldeiras e fornos seja possível por meio de bombas centrifugas. A temperatura escolhida dentro da faixa ideal de viscosidade foi de 36,8°C.

O tanque 1 (fig. 1) é onde será armazenado esse óleo combustível pesado. Como a faixa de temperatura é a variável mais importante, pois saberemos através dela se foi alcançada a faixa ideal de viscosidade, essa última variável não será medida neste projeto. E como se trata de um produto inflamável e perigoso a saúde não será possível o uso desse combustível para exposição na aula, sendo o mesmo substituído por água fria (inicialmente a 25,3°) no tanque 1.

Figura 1 – Esquema do trocador de calor em serpentina do miniprojeto.

No interior do tanque 1 será instalada uma serpentina de cobre na qual passará o fluido quente, com temperatura especifica, que terá uma vazão constante, já que a bomba, segundo o manual de projeto e operação, deverá operar com válvula de descarga totalmente aberta. A água quente é advinda do tanque 2 (tanque de aquecimento com temperatura da água 55,0°C) que é composto de uma resistência elétrica do tipo ebulidor de 1000w de potencia tendo a finalidade de aquecer a água. A ideia é que a água quente no tanque 2 represente o condensado exausto de turbina à vapor que seria aproveitado como um projeto de integração energética. Ainda, no tanque 1 existe uma entrada e saída do fluido frio.

A transferência do fluido térmico (água quente) para circulação no interior da serpentina será feita por meio de uma bomba centrifuga usada em aquário. Após circular por dentro da serpentina o fluido recircula novamente para o tanque 2. Num projeto real essa recirculação significaria numa economia significativa de água e de produtos utilizados no processo de desmineralização desse recurso natural.

As medições de temperatura serão feitas na entrada e saída dos fluidos quente e frio em locais bastante representativos e de fácil instalação dos indicadores de temperatura. Serão feitas medições até que seja alcançado um regime estacionário.