Distribuição irregular de vazões em trocadores de calor do tipo placas gaxetadas e casco-placas soldadas

Abstract

Na indústria de óleo e gás, trocadores de placas corrugadas são comumente encontrados devido ao seu elevado nível de compactação. Também conhecidos como Plate Heat Exchangers (PHE), esse tipo de trocador possui gaxetas de vedação, que podem se romper devido a altas pressões e temperaturas de operação. Uma alternativa ao trocador PHE é o trocador casco placas soldadas, também conhecido como Plate and Shell Heat Exchanger (PSHE). O PSHE proporciona, em um único equipamento, elevado nível de compactação, por também utilizar placas corrugadas, e rigidez elevada, permitindo operações em elevados níveis de pressão (característica comum ao trocador casco-tubo). Entretanto, estudos científicos realizados no trocador PSHE foram pouco relatados. É possível que avarias estruturais possam ocorrer nas soldas do PSHE devido às condições dinâmicas dos poços de produção e aos efeitos danosos da distribuição irregular de vazões nos ramais de entrada desse trocador. Na literatura é comumente verificado que a distribuição irregular de vazões provoca redução no desempenho de trocadores e pode provocar danos estruturais. Este trabalho tem como proposta comparar o desempenho dos trocadores de placas PHE e PSHE através de um método de avaliação que permite quantificar os efeitos da distribuição irregular de vazões no desempenho termodinâmico e hidráulico. Além do dimensionamento de trocadores e das estimativas médias usuais de desempenho (e.g. temperaturas de saída, perda de carga, efetividade etc.), a presente abordagem permite o cálculo dos campos de pressão e de temperatura nos trocadores PHE e PSHE, revelando os locais propícios a falhas. Os efeitos do número de canais, Reynolds (regime laminar e turbulento), ângulo de Chevron na distribuição irregular de vazões e no desempenho dos trocadores de placas são determinados para diferentes condições de operação. Por fim, a validação do método desenvolvido é realizada com dados de fabricantes e da literatura.

Abstract : In oil and gas industry, corrugated plates in heat exchangers are often found since they are compact. These plates are separated by sealing gaskets, which can tear apart due to high pressure or temperature variations. They are well known as Gasketed Plate Heat Exchangers or simply Plate Heat Exchangers (PHE). Alternatively, a new sort of heat exchanger was recently developed: the Plate and Shell Heat Exchanger (PSHE). It allows high compactness (owing to the presence of corrugated plates) in high operating pressures (owing to the shell existence). However, scientific research was rarely reported regarding PSHEs. It is not known in which conditions the welded plates can fail. Besides the well dynamic operating conditions, flow maldistribution (which is expected to occur in heat exchangers with several channels) can contribute to structural failure and reduced performance. This works aims at comparing PHE and PSHE heat exchanger performance by an evaluation method, which accounts for flow maldistribution. Besides providing heat exchanger design and computing usual performance estimates (e.g. exit temperatures, pressure drop, effectiveness etc.), the actual approach allows computing the heat exchanger pressure and temperature fields, revealing potential failure sites. The effects of channels number, Chevron angle and Reynolds numbers (laminar or turbulent regimes) on flow maldistribution and on heat exchanger performance were determined in a multitude of operating conditions. The method validation occurs with experimental data reported on literature and suppliers data.