Alisson Oliveira da Silva
Matheus Weizenmann
PROPOSTA DE UM TROCADOR DE CALOR PARA REFRIGERAO
DE UMA TRANSMISSO HIDRULICA
Horizontina
2013
Alisson Oliveira da Silva Matheus Weizenmann
PROPOSTA DE UM TROCADOR DE CALOR PARA REFRIGERAO
DE UMA TRANSMISSO HIDRULICA
Trabalho Final de Curso apresentado como requisito parcial para a obteno do ttulo de Bacharel em Engenharia Mecnica, pelo Curso de Engenharia Mecnica da Faculdade Horizontina.
ORIENTADOR: Ademar Michels, Doutor.
Horizontina
2013
FAHOR - FACULDADE HORIZONTINA
CURSO DE ENGENHARIA MECNICA
A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova a monografia:
Proposta de um trocador de calor para refrigerao de uma transmisso
hidrulica
Elaborada por:
Alisson Oliveira da Silva Matheus Weizenmann
como requisito parcial para a obteno do grau de Bacharel em
Engenharia Mecnica
Aprovado em: 02/12/2013 Pela Comisso Examinadora
________________________________________________________ Prof. Dr. Ademar Michels
Presidente da Comisso Examinadora - Orientador
_______________________________________________________ Prof. Dr. Fabiano Cassol
FAHOR Faculdade Horizontina
______________________________________________________ Prof. Dr. Richard Thomas Lermen FAHOR Faculdade Horizontina
Horizontina 2013
DEDICATRIA
De Alisson Oliveira da Silva, Aos meus pais Antonio Juarez Cesar da Silva e Noeli Oliveira da Silva e minha filha Laura Pelo apoio e incentivo ao longo desta caminhada acadmica.
De Matheus Weizenmann, Ao meu pai, Vilson Luiz Weizenmann e minha me Clarice Maria Schmitt. Pelo apoio incondicional na busca pelos meus sonhos, sempre.
1
AGRADECIMENTOS
Aluno Alisson Oliveira da Silva
Agradeo primeiramente a Deus, pela oportunidade de estar realizando um
dos meus sonhos: tornar-me Engenheiro Mecnico.
Agradeo aos meus pais, Antonio Juarez e Noeli pelo amor e incentivos
dedicados, inclusive financeiros, que me possibilitaram cursar a faculdade e almejar
meus objetivos.
Minha gratido minha esposa Cssia Massaia e minha filha Laura e, em
nome delas, a toda a famlia, pela fora dada nas horas adversas e pela
compreenso das ausncias e, em algumas vezes, abandono do seio familiar para
dedicar tempo s provas, trabalhos, artigos e TFC.
Meu abrao aos meus amigos, principalmente aos Netos do Velho Barreiro,
pelos momentos memorveis de diverso e descontrao, bem como o acalento nos
momentos ruins. As lembranas que tenho dessa nossa parceria sempre estaro
comigo, onde quer que eu v.
Agradecimento aos mestres da faculdade, com quem aprendi muito,
especialmente ao Dr. Ademar Michels, meu orientador e mentor, com quem
desenvolvi um grande volume de conhecimento, tornando-me um melhor profissional
e despertando o interesse pela docncia, que pretendo desenvolver aps a
graduao.
Agradecimento especial, tambm, a quem me apoiou e me ajudou em minha
carreira profissional: Marcos Schnneider, Elisier Weise, Joel Oliveira, Diego Souza e
Valdecir Kohler. Minha gratido pelo voto de confiana e por acreditarem em meu
potencial.
E um eterno obrigado ao meu colega de TFC Matheus Weizenmann, pelo
empenho e dedicao a este trabalho, e acima de tudo, por ser um amigo para todas
as horas.
2
Aluno Matheus Weizenmann
Agradeo inicialmente aos meus pais Vilson Luiz Weizenmann e Clarice
Maria Schmitt, por todas as oportunidades que sempre me proporcionaram nesta
vida, a minha irm Maria Antonia, ao tio Csar, que sempre me serviu de inspirao,
a madrinha Laci que foi como uma segunda me e ao primo Eduardo Schmitt eterno
parceiro.
Agradeo tambm a todos professores que contriburam na minha formao,
principalmente ao nosso orientador Ademar Michels que sempre lutou pelos alunos e
deve servir de exemplo a todos os colegas.
Aos amigos de Boa Vista do Buric, Cristiano Feltens, Diogo Hermann,
Charles Leidemer, Cassiano de Souza, Willian Hahn, Diego Schons, Maira Giaretta,
Matheus Kochhann, Leonardo Lansing, Priscila Marchi, Eduardo Fin ao professor
Ricardo Wergner, aos colegas da escolinha Moleco e todos que de alguma forma
fizeram parte do meu crescer.
Agradeo ainda aos que me oportunizaram um crescer profissional,
oportunizando estagio curricular, Srs. Douglas de Quadros e Silvino Chewinski, aos
colegas que muito me ajudaram Leandro de Souza e Jurandir Travassos, bem como
a alguns amigos que me receberam em Jaragu do Sul, Caroline Mazardo, Eduarda
Hilgert, Jonatan Rosa e principalmente a Glaci Schuster que me recebeu em seu lar
para esse novo desafio.
Aos eternos parceiros que encontrei ao longo da faculdade: Rafael Mattioni,
Evandro Michael, Thiago Spillari, Joo Martins, Giordano Delevatti, Leonardo
Prevedello, Andr Pederiva, Tiago Rhoden, Thiago Pereira, Alvaro Balestrin
Djonatan Maldaner, Kassio Melchior, Luan Fronza, Ricardo Parlow, Ronan Chiodeli,
Luciano Mota e todos os Netos do Velho Barreiro.
Obrigado aos amigos que fiz em Horizontina, Rafael Lautenchleger, Jean
Tormes, Darlis Dreisseg, Alexander Silva, Betina Friederich, Alan Israel, Deise
Berger, Gustavo Sturmer, Matheus Hickmann e principalmente aos meus trs irmos
Matheus Ra, Lucas Sartor e Michael Markus.
E ao finalizar gostaria de deixar um agradecimento todo especial ao maior
gaiteiro que essa faculdade j teve e meu colega nesta monografia, Alisson Oliveira
da Silva, O Finco.
3
Um costelo gaudrio to bom que depois de
me formar em engenharia vou comear a
estudar biogentica, pois tenho o objetivo de
desenvolver um boi feito somente de costela!
(Chailan Dellanora Rossetto)
4
RESUMO
Nas competies de baja SAE, a transmisso o ponto chave da competitividade.
Baseado nesta afirmao, um grupo de acadmicos da Faculdade Horizontina
props um prottipo de veculo off-road que utiliza transmisso hidrulica. A
principal restrio para a aplicao deste tipo de transmisso uso de altas
presses para atingir o torque e velocidade necessrios, que acarreta no
aquecimento excessivo do fluido hidrulico em virtude das perdas de carga por
atrito. O trabalho trata do dimensionamento de um trocador de calor para a
refrigerao deste fluido evitando danos ao sistema hidrulico. Utilizando o
levantamento de dados, anlise trmica do sistema de transmisso e aplicao da
metodologia -NUT, obteve-se um trocador de calor de tubos e aletas contnuas,
com capacidade de trocar 2910 W com o ambiente, atendendo s demandas de
resfriamento deste sistema hidrulico e evitando o aquecimento do fluido alm de
100C.
Palavras-chave: Fluidos hidrulicos. Trocador de calor. Dimensionamento.
5
ABSTRACT
In competitions of baja SAE, the transmission is the key point about
competitive. Based on this affirmation, a group of academics at Horizontina College
proposed a prototype of vehicle off-road using hydraulic transmission. The major
restriction for application of this transmission type is the use about high pressures for
get the torque and velocity required, resulted on high heating about hydraulic fluid
because of frictional losses. The job comes about sizing of heat changer for the
cooling that fluid avoiding damages at hydraulic system. Using data collection,
thermal analyses of hydraulic system and application of method -NUT, obtained a
heat exchanger of continued tubes and fins, with capacity of change 2910W with the
ambient, view the demands of cooling of that hydraulic system and avoiding the
heating of fluid beyond of 100C.
Keywords: Hydraulic fluids.Heat exchanger.Sizing.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Curvas v x T para trs tipos de fluido de mesma classe de viscosidade ........... 16
Figura 2: Valores tpicos para fluidos hidrulicos. ............................................................ 17 Figura 3: Associao da transferncia de calor por conduo ......................................... 19 Figura 4: Processos de transferncia de calor por conveco ......................................... 20
Figura 5: Exemplo de trocador de calor compacto ...................................................... ....23 Figura 6: Transferncia de calor no escoamento atravs de cilindros com feixe de tubos cilndricos com aletas individuais ........................................................................... 28 Figura 7: Transferncia de calor atravs do feixe de tubos cilndricos, com aletas contnuas. ....................................................................................................................... 29 Figura 8: Transferncia de calor e atrito atravs do feixe de tubos chatos com aletas de chapas contnuas. ...................................................................................................... 29
Figura 9: Exemplo de Transmisso hidrulica para veculo off road ........................ 33 Figura 10: Miolo de trocador de calor compacto selecionado .......................................... 39 Figura 11: Efetividade de um trocador de calor com escoamento cruzado ...................... 43 Figura 12: Modelo 3D do trocador desenvolvido .............................................................. 45 Figura 13: Modelo 3D em corte do trocador desenvolvido ............................................... 45
SUMRIO
1. INTRODUO .......................................................................................................................................... 12
1.1 OBJETIVO GERAL ...................................................................................................................................... 12
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................................... 13
2. REVISO DA LITERATURA ................................................................................................................. 14
2.1 SISTEMAS HIDRULICOS........................................................................................................................ 14
2.2 AQUECIMENTO EM SISTEMAS HIDRULICOS .................................................................................. 14
2.3 PROPRIEDADES DO FLUIDO RELACIONADAS TEMPERATURA ............................................... 15
2.3.1 VISCOSIDADE .............................................................................................................................................. 15
2.3.2 PROPRIEDADES TRMICAS ........................................................................................................................... 16
2.4 DISSIPAO DO CALOR EM SISTEMAS HIDRULICOS .................................................................. 17
2.5 TRANSFERNCIA DE CALOR ................................................................................................................. 18
2.5.1 CONDUO.................................................................................................................................................. 18
2.5.2 CONVECO ................................................................................................................................................ 19
2.5.3 RADIAO ................................................................................................................................................... 20
2.6 TROCADORES DE CALOR ....................................................................................................................... 20
2.6.1 BASEADA NA APLICAO ............................................................................................................................ 21
2.6.2 BASEADA NO ESCOAMENTO ......................................................................................................................... 22
2.7 TROCADORES DE CALOR COMPACTOS ............................................................................................ 22
2.8 ANLISE DE TROCADORES DE CALOR E MTODO E-NUT ............................................................ 23
2.8.1 MEMORIAL DE CLCULO PARA ANLISE E DIMENSIONAMENTO DE TROCADORES DE CALOR COMPACTOS ... 24
2.8.2 CALOR GERADO NO SISTEMA ....................................................................................................................... 24
2.8.3 CALOR DISSIPADO PELO RESERVATRIO ...................................................................................................... 25
2.8.4 DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR ............................................................................................ 26
3. METODOLOGIA ...................................................................................................................................... 32
3.1 MTODOS E TCNICAS UTILIZADOS ................................................................................................... 32
3.1.1 COLETAR DADOS ......................................................................................................................................... 32
3.1.2 DEFINIR DESEMPENHO PRETENDIDO PARA O TROCADOR.............................................................................. 32
3.1.3 DIMENSIONAR O TROCADOR ........................................................................................................................ 33
4. APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS ......................................................................... 34
4.1 DADOS DE OPERAO DA TRANSMISSO HIDRULICA ............................................................... 34
4.2 AQUECIMENTO DO FLUIDO EM ESCOAMENTO ................................................................................ 36
1
4.3 CALOR DISSIPADO PELO RESERVATRIO ........................................................................................ 38
4.4 DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR ............................................................................. 39
4.5 DIMENSES DO TROCADOR DE CALOR ............................................................................................ 41
5. CONSIDERAES FINAIS .................................................................................................................... 45
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS............................................................................................................... 47
APNDICE A DESENHO DETALHADO DO TROCADOR DE CALOR ............................................... 48
ANEXO A ESPECIFICAES PARA LEO LUBRIFICANTE SHELL TELLUS S2 M 46 ............... 50
ANEXO B PROPRIEDADES TERMOFISICAS DE GASES PRESSO ATMOSFRICA ............... 52
2
1. INTRODUO
Um grupo de acadmicos da Faculdade Horizontina props um prottipo de
veculo off-road popularmente conhecido como mini baja, substituindo a
transmisso mecnica para um tipo no usual neste veculo: a transmisso
hidrulica.
Ao encontrar-se na fase de detalhamento do projeto, houve a constatao da
necessidade de um volume de fluido alm do previsto, gerando assim um acrscimo
de massa ao veculo. Necessitando de vises amplas quanto reduo de massa,
partiu-se da ideia de reduo da quantidade de fluido no reservatrio. Porm o
sistema hidrulico de transmisso proposto trabalha a presses elevadas, em torno
de 12 MPa. Consequentemente, as perdas de carga geradas neste sistema so
elevadas e causam aquecimento no fluido hidrulico. Com a reduo do volume do
reservatrio, o aquecimento deste fluido acelerado, havendo um aumento rpido
na temperatura do mesmo. Dessa forma, para evitar o comprometimento da
integridade do sistema, necessrio resfriar o fluido hidrulico por meio de um
trocador de calor.
O trabalho proposto trata do dimensionamento de um trocador de calor
compacto para a refrigerao do fluido hidrulico do sistema de transmisso.
Conforme engel (2009), trocadores de calor so dispositivos facilitadores de troca
de calor entre dois fluidos encontrados em temperaturas distintas e evitando a
mistura dos mesmos.
1.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem por objetivo propor um trocador de calor compacto para
refrigerao especifica do fluido hidrulico com aplicao em sistema de transmisso
de um prottipo de veculo Off-Road.
13
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Entender, por meio da literatura especfica, aspectos referentes ao
fenmeno de aquecimento e transferncia de calor em sistemas hidrulicos,
- Identificar a real necessidade de refrigerao, levando em considerao o
calor dissipado pelo reservatrio.
- Dimensionar o trocador para obter a maior taxa possvel de dissipao de
calor com dimenses compatveis ao chassi de um prottipo Off-Road
2. REVISO DA LITERATURA
2.1 SISTEMAS HIDRULICOS
Segundo Brunetti (2008), a definio mais elementar de fluido diz que este
uma substncia que no tem uma forma prpria , assume o formato do recipiente
que a contm. Como diferenciao visual para os slidos, este conceito esclarece
perfeitamente o comportamento dos fluidos. Em uma abordagem mais aprofundada,
Brunetti (2008) descreve os fluidos como substncias que se deformam
continuamente, quando submetidas a esforos tangenciais, no atingindo uma nova
configurao de equilbrio esttico, ou seja, uma substncia que escoa.
O uso de fluido sob presso como meio de transmisso de potncia, ocorreu
a partir da Primeira Guerra Mundial, com o surgimento da primeira prensa hidrulica
e do guindaste hidrulico. A palavra Hidrulica deriva Da raiz grega hidros (gua), ou
seja, a cincia que estuda o comportamento dos fluidos em estado lquido
escoando em tubulaes e sob presso. (FIALHO, 2003)
Linsingen (2003) afirma que os sistemas hidrulicos foram se sofisticando, o
que permitiu o uso a presses cada vez maiores, tornando-os mais compactos,
precisos e eficientes. Palmieri (1994) salienta que atualmente o uso da transmisso
de fora fluida devido a sua versatilidade tornou-se evidente, sendo utilizado desde
sistemas de frenagem de automveis, at sistemas complexos, como controles de
aeronaves.
2.2 AQUECIMENTO EM SISTEMAS HIDRULICOS
Conforme Linsingen (2003), devido evoluo dos sistemas hidrulicos, com
o uso de presses cada vez maiores, e do processo de converso de energia,
inevitavelmente, estes sistemas esto condicionados a aquecerem.
Conforme Palmieri (1994), o principio bsico de qualquer sistema hidrulico
a transformao de energia mecnica em energia hidrulica, para nova
transformao em energia mecnica. Neste processo h vrias perdas, convertidas
em energia trmica e transferidas ao fluido hidrulico, causado principalmente pelo
atrito viscoso durante o escoamento do fluido dentro das tubulaes. Alteraes
15
elevadas na temperatura do fluido, devido dissipao de energia, provocam
alterao da viscosidade, por consequncia, alteram-se as perdas por vazamento e
as condies de operao do sistema (LINSINGEN, 2003).
Palmieri (1994) afirme que a gerao de calor em um sistema hidrulico pode
ser devida a vrios fatores, dentre eles:
- Perdas mecnicas na bomba ou no motor hidrulico, causadas pelo atrito
destes componentes com o fluido hidrulico;
- Restries na linha devido a curvas mal elaboradas ou introduo de
vlvulas, como reguladoras de presso e vazo que restringem e aumentam a
turbulncia do escoamento;
- Vlvulas mal dimensionadas, onde a vazo mxima permitida menor que a
vazo exigida pelo sistema.
Linsingen (2003) acrescenta que o conhecimento destas caractersticas
necessrio para se analisar e permitir a adequao do fluido hidrulico s condies
em que estar operando.
2.3 PROPRIEDADES DO FLUIDO RELACIONADAS
TEMPERATURA
2.3.1 Viscosidade
Conforme Brunetti (2008) viscosidade a propriedade que indica a maior ou
a menor dificuldade de escoar. O autor refora que esta uma propriedade que no
pode ser visualizada em um fluido em repouso, somente em escoamento.
A viscosidade possui valores diferentes para cada tipo de fluido. Pode
tambm variar no mesmo fluido, pois esta propriedade est ligada temperatura.
Conforme Brunetti (2008) a resistncia ao escoamento diminui mediante aumento de
temperatura e aumenta medida que a temperatura diminui.
A relao entre viscosidade e temperatura pode ser obtida atravs do
chamado ndice de viscosidade, que corresponde inclinao das curvas, conforme
a Figura 01.
16
Figura 1: Curvas v x T para trs tipos de fluido de mesma classe de
viscosidade.
Fonte: Linsingen (2003)
2.3.2 Propriedades trmicas
Alm da viscosidade do fluido, outras propriedade esto diretamente ligadas
temperatura do fluido, calor especfico e a condutividade trmica.(LINSINGEN, 2003)
O calor especfico a quantidade de calor necessria para elevar a
temperatura de uma massa unitria em 1C, expresso por J/kg. C.
Conforme Incropera e DeWitt (2005), a Condutividade Trmica a medida da
taxa de transferncia de calor atravs de uma superfcie para um gradiente de
temperatura na direo e sentido do fluxo de calor, em W,
Onde K o coeficiente de condutividade trmica (W/mC).
A figura 2 apresenta os valores tpicos de viscosidade, temperatura de
operao, calor especfico e condutividade trmica para diferentes tipos de fluidos
hidrulicos.
17
Figura 2 Valores tpicos para fluidos hidrulicos.
Fonte: Linsingen (2003)
O conhecimento e determinao destas propriedades, segundo Linsingen
(2003), permitem a adequao do fluido correto aos requisitos de operao do
sistema. A determinao destas propriedades de suma importncia para calcular a
dissipao de calor do sistema e analisar a possibilidade de refrigerao do sistema.
2.4 DISSIPAO DO CALOR EM SISTEMAS HIDRULICOS
De acordo com Palmieri (1994), dependendo da complexidade do sistema
hidrulico, esse calor pode ser simplesmente dissipado atravs das tubulaes e
principalmente dentro do reservatrio. Essa dissipao de calor ocorre por
conveco entre o fluido e a parede do reservatrio, por conduo atravs da
superfcie do reservatrio e novamente por conveco entre as paredes e o meio.
18
Se a troca trmica no reservatrio no for suficiente, Fialho (2004) sugere a
instalao de uma chicana dentro do reservatrio. Esse dispositivo, em forma de
aleta, aumenta a superfcie de troca trmica dentro do reservatrio, sem que haja a
necessidade do uso de um trocador de calor.
O autor acrescenta que, dependendo da necessidade, pode ser introduzido
um maior nmero de chicanas verticais para forar a circulao do fluido,
aumentando ainda mais a troca trmica por conveco.
Se os mtodos anteriores no resultarem em uma dissipao de calor
satisfatria, deve-se usar um trocador de calor. A seguir sero apresentados os
meios de transferncia de calor, bem como os equipamentos responsveis pela
dissipao de calor, denominados trocadores de calor.
2.5 TRANSFERNCIA DE CALOR
Segundo Incropera e De Witt (2005), a transferncia de calor a energia
trmica em transito devido a um desbalanceamento de temperaturas, j os meios
com que essa transferncia se d so divididos em trs formas: conduo,
conveco e radiao trmica. Para o caso de trocadores de calor as formas pais
presentes so as transferncias por conduo e por conveco.
2.5.1 Conduo
Conforme Incropera e DeWitt (2005), ao se falar de conduo trmica deve-se
considerar imediatamente dos conceitos de atividade atmica e molecular. A
conduo pode ser vista como a transferncia de energia das partculas mais
energticas para as partculas de menor energia, em um meio que possui interao
entre elas, uma forma de se observar pela Figura 3.
19
Figura 03 Associao da transferncia de calor por conduo com a difuso
de energia devido movimentao molecular.
Fonte: Incropera e De Witt (2005).
2.5.2 Conveco
A transferncia de calor pelo modo da conveco composta basicamente
por dois mecanismos, a transferncia de calor pelo movimento aleatrio molecular e
tambm atravs do movimento global. A conveco pode ser classificada como
forada ou livre, o forado dispe de meios externos que causam o escoamento, tais
como ventiladores bombas ou ventos atmosfricos, por exemplo, coolers para
resfriamento de equipamentos eletrnicos, j na conveco livre o escoamento
induzidos por foras de empuxo, geradas por diferenas de densidades do ar,
geradas pelas diferenas de temperatura do prprio fludo, por exemplo, trocadores
de calor dispostos ao ar livre. O mtodo da conveco o que est mais presente
no caso de trocadores de calor. A Figura 4 apresenta alguns processos de
transferncia de calor por conveco. (INCROPERA & DE WITT, 2003)
20
Figura 4 Processos de transferncia de calor por conveco (a) Conveco
forada, (b) Conveco natural, (c) Ebulio, (d) Condensao
Fonte: Incropera e De Witt, 2003.
2.5.3 Radiao
Como descreve Incropera e DeWitt (2005) este modo de transferncia de
calor transmite a energia por meio de ondas eletromagnticas. Diferentemente da
conveco e da conduo a transferncia de energia por radiao no necessita de
meio material. Trata-se de uma energia emitida por toda a matria que se encontra a
uma temperatura no nula, acima de 0 K, (-273 C).
2.6 TROCADORES DE CALOR
Os processos de troca de calor entre dois fluidos que esto a diferentes
temperaturas e separados por uma parede slida ocorre em muitas aplicaes de
engenharia. O dispositivo utilizado para implementar essa troca chamado trocador
de calor, e as aplicaes especificas podem ser encontradas no aquecimento de
ambientes e ar condicionado, produo de potencia, recuperao de calor perdido,
21
bem como no resfriamento de fludos, para cada uma das funes solicitadas a um
trocador de calor se tem um tipo com melhor eficcia, a seguir so apresentados
alguns dos tipos de trocadores e a sua classificao que se d normalmente de
acordo com o a aplicao e arranjo do escoamento. (SCHMIDT, HENDERSON, &
WOLGEMUTH, 2004)
2.6.1 Baseada na aplicao
Baseados na sua aplicao os trocadores de calor podem ser subdivididos
em com mudana de fase, sem mudana de fase ou regeneradores. Dentro dos
trocadores de calor com mudana de fase se tem ainda uma nova diviso, o tipo
mais comum o com tubo e carcaa, onde um dos fluidos escoa por dentro dos
tubos j o segundo transita pelo meio externo ao das tubulaes, este tipo pode ser
usado por dois fluidos lquidos bem como por fluidos gasosos. O outro tipo de
trocador de calor sem a mudana de fase conhecido como de placa ou compacto,
normalmente utilizado entre duas correntes gasosas ou entre uma corrente lquida e
outra gasosa, este tipo de trocador tem uma grande rea por unidade de
volume(SCHMIDT, HENDERSON, & WOLGEMUTH, 2004).
J os trocadores sem mudana de fase normalmente so baseadas em um
projeto de tubos e carcaa que sofre alteraes, quando o vapor produzido dentro
desses trocadores, o trocador de calor recebe o nome de gerador de vapor,
evaporador ou caldeira. Este vapor pode ser formado ou do lado do tubo ou do lado
da carcaa, um tipo comum de gerador de vapor aquele em que o combustvel e o
ar entram no trocador de calor e um processo de combusto ocorre de forma que
uma quantidade considervel de energia liberada, os gases quentes formados
durante o processo de combusto transferem calor para o liquido, o que faz com que
esse mude de fase(SCHMIDT, HENDERSON, & WOLGEMUTH, 2004).
Quando dois ou mais fluidos trocam calor utilizando a mesma passagem de
escoamento de forma peridica, de forma que, em qualquer momento, apenas um
dos fluidos est em contato com o trocador de calor, normalmente estas unidades
so muito grandes e massivas, estes trocadores so conhecidos como
regeneradores(SCHMIDT, HENDERSON, & WOLGEMUTH, 2004).
22
2.6.2 Baseada no escoamento
Quando sua diviso baseada no escoamento se tem uma diviso em quatro
grupo, de escoamento de contracorrente, paralelo, cruzado ou ainda de
contracorrente cruzada, quando os fluxos dos dois fluidos escoam em direes
paralelas, mas em sentidos opostos, possui a configurao de escoamento de
contracorrente, este tipo de configurao de trocador de calor se mostra a mais
eficiente(SCHMIDT, HENDERSON, & WOLGEMUTH, 2004).
No escoamento paralelo os fluxos dos fluidos escoam na mesma direo e
sentidos, essas unidades so menos comuns, j que sua eficincia menor do que
o de contracorrente, no escoamento cruzado e de contracorrente cruzada os fluidos
escoam em um ngulo de 90, embora as unidades de escoamento cruzado no
sejam to eficientes quanto aos de contracorrentes, normalmente so utilizadas por
obter a corrente externa com maior facilidade, por exemplo em um radiador
automotivo, j os de contracorrente cruzada possuem fcil construo e na medida
em que o nmero de passes aumenta, a eficincia se aproxima da eficincia de um
trocador de contracorrente (SCHMIDT, HENDERSON, & WOLGEMUTH, 2004).
2.7 TROCADORES DE CALOR COMPACTOS
Segundo Incropera e De Witt (2005), se um trocador de calor tiver uma
densidade de rea superficial maior do que 700m/m classificado como trocador
de calor compacto.
Este tipo de trocador empregado em aplicaes onde pelo menos um dos
fluidos gasoso, onde o coeficiente de transferncia de calor baixo. Os radiadores
usados para arrefecimento de veculos so trocadores de calor compactos. Como o
modelo da figura 05.
23
Figura 5: Exemplo de trocador de calor compacto.
Fonte: Radiadores Fenix (2013)
2.8 ANLISE DE TROCADORES DE CALOR E MTODO E-NUT
Conforme Incropera e DeWitt (2005), dois procedimentos foram
desenvolvidos para anlise de trocadores de calor: o Mtodo DTML e o mtodo -
NUT, sendo que em qualquer destes mtodos, os resultados obtidos so
equivalentes.
Conforme zisik (1979) o clculo de capacidade e o clculo das dimenses
de um trocador de calor so os dois problemas mais importantes quando se trata da
anlise trmica de trocadores de calor. O clculo de capacidade se refere a
determinao das temperaturas de sada do fluido, das perdas de carga em um
trocador de calor e da determinao da taxa de transferncia de calor.
Basicamente, se as temperaturas de entrada e sada do fluido rio e do fluido
quente forem conhecidas e a transferncia de calor for especificada, utiliza-se o
mtodo DTML.
Porm, segundo zisik (1979), h casos em que se conhecem somente as
temperaturas de entrada e as vazes mssicas dos fluidos frio e quente, e o
coeficiente de transferncia pode ser apenas estimado. Nestes casos no h como
24
obter a temperatura mdia logartmica, pelo fato das temperaturas de sada de
ambos os fluidos no serem conhecidas. A aplicao do DTML, nestes casos,
envolve clculos tediosos, sendo indicada a aplicao do mtodo -NUT (efetividade
do trocador de calor) desenvolvido por Kays e London apud Incropera e DeWitt
(2005).
2.8.1 Memorial de clculo para anlise e dimensionamento de
trocadores de calor compactos
Segue a seguir as equaes, em sequncia de desenvolvimento lgico,
utilizadas para o clculo de dimensionamento do trocador de calor proposto para
este trabalho. O clculo basicamente divide-se em trs partes: determinao do
aquecimento do fluido no sistema de transmisso hidrulica, verificao do calor
dissipado pelo reservatrio e dimensionamento do trocador de calor.
2.8.2 Calor gerado no sistema
Conforme Brunetti (2003), tem-se que a potncia dissipada em um sistema
onde um fluido est escoando determinada por:
(2)
Onde:
Ndiss Potncia dissipada, em Watt (J/s)
- Peso especfico do Fluido Hidrulico, em N/m
Q Vazo volumtrica do sistema, em m/s
Hp Energia de fluido dissipada, em .
A variao de temperatura no fluido, por meio da energia de presso
transformada em energia trmica expressa por:
(3)
25
- Vazo mssica do fluido, em kg/s
Cp Calor especfico a presso constante do fluido, em J/kg.C
T diferena de temperatura de sada do fluido do reservatrio e da entrada no
reservatrio, aps passagem pelo sistema.
2.8.3 Calor dissipado pelo reservatrio
Para a verificao do calor dissipado pelo reservatrio utiliza-se a frmula
para obteno do Coeficiente global de transferncia de calor, por meio das
resistncias trmicas. Por meio de um mecanismo combinado de resistncias
trmicas por conveco dos fluidos hidrulico, conduo nas paredes do reservatrio
e conveco com o ar externo, o coeficiente obtido pela equao 4.
( )
Onde Ui o Coeficiente Global de transferncia de calor do reservatrio, em
W/mC, hi o coeficiente de transferncia por conveco no interior do reservatrio
(fluido hidrulico) em W/mC, he o coeficiente de transferncia por conveco na
superfcie exterior do reservatrio, ri o raio interno do reservatrio, re, o raio
externo; k a condutividade trmica do material constituinte do reservatrio,
expressa em W/mC, Ai, rea lateral interna e Ae rea lateral externa, ambas em m
e L o comprimento do reservatrio.
Para o caso de valores de hi no conhecidos e caso o escoamento seja
laminar (Re< 2300), considerando o fluxo de calor constante, pode-se usar a
seguinte frmula:
Sendo h o coeficiente de transferncia trmica or conveco no fluido no
escoamento interno, k a condutividade trmica deste fluido e D o dimetro interno do
reservatrio.
Para o caso de he desconhecido, utiliza-se o mtodo de clculo para
escoamento externo de cilindros transversais, proposto por Churchill e Bernstein
26
apud Incropera e DeWitt (2005), que baseado numa frmula emprica, expressa
por
[ ( )
]
[ (
)
]
Nu Nmero de Nusselt
Pr Nmero de Prandt (tabelado)
O nmero de Reynolds correspondente ao escoamento externo pode ser
determinado pela equao 7.
Sendo V a velocidade do fluido externo em m/s, D o dimetro externo do reservatrio
em m e a viscosidade cinemtica do ar em m/s.
2.8.4 Dimensionamento do trocador de calor
Aps determinar o calor dissipado pelo reservatrio, pode-se dimensionar o
trocador de calor atravs do mtodo -NUT. Esse mtodo, Segundo Incropera e De
Witt (2005), o mais indicado para projetos de trocadores de calor, onde no se tem
o conhecimento das temperaturas de sada dos fluidos quente e frio, mas somente
as temperaturas de entrada de ambos os fluidos.
Nesse mtodo temos que
Efetividade do trocador e calor
Qmax Taxa mxima de transferncia de calor , em W/s
Q taxa real de transferncia de calor, em W/s
A taxa mxima de transferncia de calor poderia ser obtida num trocador de
calor em contracorrente com comprimento infinito. Incropera e DeWitt (2005)
informam que nesse caso o fluido frio seria aquecido at a temperatura de entrada
do fluido quente.
A equao para Q max definida por
27
Cmin Capacidade calorfica mnima entre os dois fluidos, em W/C
Tq,e Temperatura de entrada do fluido quente, em C
Tf,e Temperatura de entrada do fluido frio, em C
Por definio, a capacidade calorfica de ambos os fluidos do trocador de
calor :
Sendo a vazo mxima do fluido quente (q) e do fluido frio (f), em kg/s; Cp o
calor especfico a presso constante em J/kgC. C mn ser o menos valor entre Cq e
Cf, pois conforme Incropera e DeWitt (2005) a mxima transferncia de calor
ocorrer no fluido com menor capacidade calorfica, pois este tua como o fator
limitante, de acordo com a Lei de Conservao de energia. Se Cmax fosse utilizado,
o fluido que possui a menor capacidade calorfica teria de experimentar um aumento
de temperatura superior ao seu mximo, o que fisicamente impossvel.
De acordo com Incropera e DeWitt (2005), nos clculos para trocadores de
calor compactos, foram estudadas caractersticas de transferncia de calor e
escoamento para diversos tipos de geometrias e arranjos, atravs do trabalho
clssico de Kays e London, fornecendo dados empricos para a obteno dos
coeficientes de transferncia de calor nas superfcies destas geometrias.
Tais resultados, conforme InCropera e DeWitt(2005) esto correlacionados
em termos do fator de Colburn e do nmero de Reynolds e com o nmero de
Staton, conforme as equaes 11, 12 e 13.
Sendo h o coeficiente de conveco externa, em w/mC, Cp o calor
especfico do ar e Pr o nmero de Prandt (tabelado para o ar). G a velocidade
mssica de escoamento do fuido e definida por
28
G - Velocidade mssica, em kg.m/s
m - Vazo mssica total, em kg/s
Amn - rea transversalmente mnima do escoamento livre, em m
E o nmero de Reynolds, necessrio para determinao do fator , dado
por
Onde: Re = Nmero de Reynolds
= Dimetro hidrulico, em m
= Viscosidade absoluta, em
G = Velocidade mssica, em kg.m/s
Calculando estes dados, pode-se utilizar os diagramas desenvolvidos para
variados tipos de geometria e arranjos tubulares e de aletas, conforme as figuras 6,
7 e 8. Assim por meia da equao 11, pode-se verificar qual o coeficiente de calor
externo para o arranjo especificado.
Figura 6: Transferncia de calor no escoamento atravs de cilindros com feixe
de tubos cilndricos com aletas individuais
Fonte: zisik (1979)
29
Figura 7: Transferncia de calor atravs do feixe de tubos cilndricos, com
aletas contnuas.
Fonte: zisik (1979)
Figura 8: Transferncia de calor e atrito atravs do feixe de tubos chatos com
aletas de chapas contnuas.
Fonte: zisik (1979) (2012)
30
Para determinar o coeficiente global de transferncia, utilizou-se a equao 4. Para efetuar este clculo, a frmula foi escrita em funo da rea externa (Ae). Com isto a equao 14 fica da seguinte forma:
( )
De acordo com Incropera e Dewitt (2005), pode se usar uma relao entre
as reas externa e interna, correspondentes e correlacionadas razo das reas
ocupadas pelas aletas/rea total do trocador, isto ,
(
)
Definido o coeficiente de transferncia ou conveco externo, pode-se aplicar
a equao 4 para obteno do Coeficiente global de transferncia (U). Em seguida,
aplica-se a anlise -Nut para verificao do desempenho do trocador e as
dimenses do mesmo.
Deve-se determina a relao Cmn/Cmx Esse valor necessrio para
encontrar NUT (nmero de unidades de transferncia, fator adimensional) do
diagrama da figura 11, possibilitando verificar as dimenses do trocador de calor.
Esta configurao de trocador de calor considerada como escoamento cruzado
com ambos os fluido no misturados, uma vez que as aletas da superfcie agem
como tubulaes para o ar.
Figura 11: Efetividade de um trocador de calor com escoamento cruzado,
ambos fluidos no misturados.
31
Fonte: Incropera e DeWitt (2005)
Onde o nmero de unidades de transferncia, o coeficiente global
de transferncia do trocador de calor, a rea de transferncia de calor e a
menor capacidade calorfica entre os fluidos quente e frio.
Dessa forma, pode-se calculara a rea de transferncia trmica do trocador.
Para calcular o volume do trocador a relao entre a rea superficial e o volume do
trocador, que peculiar para cada tipo de arranjo de miolos dos trocadores de calor
compactos (anexos
Como a rea frontal do trocador definida, o comprimento em direo ao
escoamento deste trocador de calor pode ser determinado pela equao 17.
Onde L o comprimento do trocador de calor, em m, V o volume do trocador
em m e Af a rea frontal do trocador de calor, em m. Sendo assim, pode-se
determinar a quantidade de tubos e aletas atravs do diagrama do miolo do trocador
de calor de aletas contnuas, contido nos anexos deste trabalho.
32
3. METODOLOGIA
3.1 MTODOS E TCNICAS UTILIZADOS
Como procedimento de execuo de pesquisa, definiu-se para o presente
estudo o seguinte:
1. Coletar dados;
2. Definir desempenho pretendido para o trocador;
3. Dimensionar o trocador.
3.1.1 Coletar dados
Inicialmente foi realizado o levantamento de dados com base no modelo
hipottico de uma transmisso hidrulica para veculo Off Road, pertinentes do
ponto de vista da gerao e transferncia de calor, como:
- Vazo e presso de trabalho do Sistema
- Tipo de escoamento (Nmero de Reynolds)
- Perda de carga e eficincia dos motores hidrulicos, responsveis pelo
aquecimento;
- Dimenses do reservatrio;
-Dados e propriedades do fluido Hidrulico utilizado (viscosidade, massa
especfica, coeficiente de condutividade trmica, temperaturas de trabalho e calor
especfico.
3.1.2 Definir desempenho pretendido para o trocador
Baseado nos dados coletados no item anterior, verificou-se o real
aquecimento do fluido contido no sistema de transmisso, considerando que o
aquecimento deste sistema ocorrer em virtude da transformao da energia
dissipada em energia trmica, ou seja Ndiss = Q
Foi identificada a quantidade de calor dissipado pelo reservatrio, utilizando o
coeficiente global de transferncia de calor, por meio das resistncias trmicas.
Obteve-se a taxa de calor dissipada pelo reservatrio, e se pode verificar a
33
necessidade de uso de trocador de calor e que quantidade de calor excedente devia
ser trocada com o ambiente.
3.1.3 Dimensionar o trocador
O prximo passo foi o dimensionamento do trocador de calor que teve por o
objetivo estabelecer o tipo de trocador mais adequado ao projeto com melhor
relao custo benefcio, obteno da eficincia do trocador escolhido, nmero de
passes e o tipo de escoamento, utilizando o mtodo efetividade-NUT (-NUT). Para
determinar as dimenses do trocador de calor, foram utilizados os diagramas de
diversos miolos de trocadores de calor compactos, conforme as figuras 6,7 e 8,
selecionada uma das geometrias e, baseado nos dados da mesma, obteve-se o
coeficiente global do trocador de calor e as dimenses do mesmo, que esto
apresentadas na seo de resultados deste trabalho.
Com as dimenses definidas, criou-se um prottipo virtual por meio de um
software CAD, para visualizar o trocador de calor e seu arranjo e posio no layout
do sistema de transmisso hidrulica.
4. APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS
4.1 DADOS DE OPERAO DA TRANSMISSO HIDRULICA
A proposta do trocador de calor do trabalho baseia-se em um modelo
hipottico de transmisso hidrulica para prottipos off road SAE. O sistema possui
duas bombas hidrulicas associadas em paralelo, sendo uma responsvel pela
alimentao de dois motores hidrulicos no eixo traseiro e a outra responsvel pela
alimentao dos motores do eixo dianteiro. Esse fato deve ser levado em
considerao, pois a perda de carga em ambas as bombas quase idntica, logo o
aquecimento em ambas ser o mesmo. O nico diferencial que o retorno dessas
duas bombas circula pela mesma canalizao do trocador de calor, ou seja, a vazo
mssica dobra em relao vazo de operao do sistema. A figura 9 exemplifica
de maneira sucinta o esquema da transmisso hidrulica.
Figura 9: Exemplo de Transmisso hidrulica para veculo off road.
35
O quadro 1 mostra as informaes estimadas para este sistema. Estas
informaes foram baseadas na curva de vazo em relao presso de trabalho
das bombas hidrulicas, ou seja, vazo de 0,0005 m/s, a bomba recalca fluido a
uma presso de 12 Mpa.
Quadro 1: Condies de operao do sistema de transmisso Hidrulica
Dados de operao da transmisso hidrulica para prottipo off road
Presso de trabalho 12 MPa
Vazo Mxima por Bomba 0,0005 m/s
N de bombas 2
Vazo no retorno 0,001 m/s
Modelo da bomba Parker Hannifin P11
N de motores 4
Modelo de motores Parker Hannifin TE 0050
Eficiencia dos motores 0,8
Perda de carga nos motores/bomba 4,8 MPa
Perda de carga na tubulao + Acessrios 1,1 Mpa
Fonte: Adaptado de Parker Hannifin (2013).
Referente ao fluido hidrulico, Palmieri (1994) cita que o fluido a ser utilizado
deve ser o indicado pelo fabricante dos equipamentos. Por meio do aplicativo Shell
Lube Match pode-se obter o fluido indicado para os motores e bombas selecionados.
A tabela 1 um condensado das informaes retiradas de Catlogos Tcnicos de
Lubrificantes contm as propriedades do leo SM46
Tabela 1: Propriedade do Fluido Hidrulico
Propriedades do leo Shell SM 46
Viscosidade cinemtica 4,5.10-5 m/s
Massa especfica 879 kg/m
Peso especfico 8623 N/m
Calor especfico (Cp) 1890 J/kgC
Ponto de oxidao 130 C
Temperatura mxima ideal de operao 80C
Natureza Mineral Fonte: Adaptado de Shell Company (2013)
To igualmente importante quanto o leo hidrulico, o fluido frio, neste caso o
ar, tambm tem de ter suas propriedades determinadas. Neste caso as propriedades
36
importantes so a massa especfica, a condutividade trmica, o nmero de Prandt, a
viscosidade cinemtica, a viscosidade absoluta e o calor especfico, dados estes
levando em conta que o ar est em temperatura ambiente, ou seja,
aproximadamente 25C ou 300 K. As propriedades do ar a esta temperatura so
apresentadas na tabela 2.
Tabela 2: Propriedades do ar a temperatura ambiente (300K)
Propriedades do ar
Massa especfica 1,1614 kg/m
Calor especfico 1007 J/kgC
Viscosidade absoluta 184,5 . 10-7 N.s/m
Viscosidade Cinemtica 15,89 . 10-6 m/s
Coeficiente de Conduo trmica 26,3.10-3 W/mC
Nmero de Prandt 0,707 Fonte: Incropera e DeWitt (2005)
4.2 AQUECIMENTO DO FLUIDO EM ESCOAMENTO
Conforme citado anteriormente, o aquecimento do fluido ser calculado com
base na potncia dissipada em virtude das perdas de carga do sistema. Portanto as
seguintes hipteses foram consideradas: o fluxo de calor constante, a potncia
dissipada ser integralmente convertida em energia trmica, o calor trocado entre a
tubulao, acessrios com o meio desprezvel e o carro movimenta-se a uma
velocidade mdia de 30 km/h e a presso para dimensionamento ser a mxima
presso que de 120 bar ou 12 Mpa.
De acordo com o Quadro 1 , a perda de carga total de 5,9 Mpa. Dessa
forma a potncia dissipada por este sistema, dada pela equao 2 com o peso
especfico do fludo hidrulico, no valor de 8623 N/m, a vazo volumtrica de
0,0005 m/s e altura correspondente s perdas de carga, no valor de 687 m,
obtendo-se uma potncia dissipada de 2962 W.
Lembrando que Hp, foi determinado atravs do teorema de Stevin, conforme a
equao 10, sendo a queda de presso (perda de carga) expressa em 5,9 MPa e o
peso especfico no valor de 8623 N/m. Com isso obteve-se o valor de Hp, j
supracitado.
37
Levando em considerao a hiptese anteriormente citada de que a energia
perdida em forma de perda de carga ser convertida integralmente em energia
trmica, podemos utilizar a equao de balano de energia, conforme a equao 3,
para obtermos a alterao de temperatura no fluido. Dividindo a potncia pelo
produto da multiplicao da vazo mssica de fluido hidrulico, no valor de 0,44 kg,s
e o calor especfico deste fluido (1890 J/kgC), foi verificado que o fluido aquecer
3,5 C desde sua sada do reservatrio at o retorno do mesmo.
Lembrando que a vazo mssica a vazo volumtrica do fluido
multiplicada pela massa especfica, onde se obteve 0,44 kg/s.
O resultado obtido na equao 12 indica que a cada segundo, fornecendo
2962 J, 440 gramas de fluido aquecero 3,5 graus Celsius. Esse aquecimento
impacta em menor proporo no reservatrio, porm a temperatura continua se
elevando, at atingir a temperatura de 130C e neste ponto o fluido comea a oxidar
e mudar de fase, conforme informaes do fabricante.
Conforme citado anteriormente, a literatura prope que para proporcionar
uma melhor troca trmica e refrigerao do fluido hidrulico, deve-se usar um
volume equivalente a trs vezes a vazo em litros/minuto, isto , para esta aplicao
do veculo off road, onde a vazo corresponde 30 litros por minuto, o reservatrio
teria de comportar 96 litros de fluido hidrulico. Tais valores so impraticveis, em
funo do espao limitado no chassi do veculo, bem como o ganho excessivo de
massa. Dessa maneira, buscou-se diminuir este reservatrio para 30 litros para
reduo da massa do carro, porm sem comprometer a circulao do fluido
hidrulico, e utilizar o trocador de calor para refrigerao.
O uso de trocador ser necessrio, pois o tempo estimado para que o fluido
atinja a temperatura mxima de operao sem que haja degradao do leo e
possivelmente avarias no sistema de transmisso, menor que o tempo necessrio
para a operao mxima da transmisso do mini baja, que de 5 horas, durante a
prova de enduro.
Pode-se estimar o tempo mdio utilizando a equao 3 com alteraes,.
Substituindo a vazo mssica pela massa de fluido do reservatrio, teremos a taxa
de aumento de temperatura por segundo, dentro do reservatrio no valor de 0,06
C/s. Isso significa que a essa taxa de aquecimento o fluido aumentara de 25C a
100C em aproximadamente 20 min em um reservatrio com capacidade para 30
litros.
38
4.3 CALOR DISSIPADO PELO RESERVATRIO
Para que o trocador de calor seja utilizado, primeiramente precisa-se
verificar o calor transferido atravs deste reservatrio. Para tal considerou-se, que
para uma capacidade de 30 litros, este reservatrio, que ser em formato cilndrico,
possui as dimenses de 0,5 m de comprimento e dimetro interno de 0.28 m. o
tanque ser confeccionado em ao carbono tendo condutividade trmica k de 60,5
W/mC, conforme Incropera e De Witt (2005). A parede tem espessura de 3 mm, e
o reservatrio possui possuindo uma rea superficial total interna de 0,55 m e uma
rea externa de 0,57 m.
Para determinar a transferncia de calor utilizou-se o mtodo de coeficiente
transferncia global, j que para o caso do reservatrio h um mecanismo
combinado de troca de calor envolvendo conveco do lado interno, conduo
atravs da parede do tubo e conveco externa com o ambiente, conforme a
equao 4. Porm esta equao s poder ser aplicada caso os coeficientes de
transferncia por conveco h do lado do fluido e do lado do gs tenham sido
especificados.
Conforme citado anteriormente, se o escoamento interno for laminar e o
fluxo de calor constante, pode-se usar a relao proposta da equao 5. Utilizando
os dados da tabela do fluido e considerando D o dimetro interno do reservatrio,
tm-se um valor para o coeficiente de transferncia interno hi de 1,71 W/mC
Para o escoamento esternos foi verificado o valor de he por meio da
equao de Churchill e Bernstein apud Incropera e De Witt (2005), para o
escoamento externo sobre um cilindro (equao 6). Utilizando as propriedades do ar
da tabela 2, obteve-se um coeficiente de transferncia interna he de 26W/mC.
Para calcular o nmero de Reynolds utilizou-se a equao 7 em conjunto
com as propriedades do ar da Tabela 2, considerando um velocidade mdia de
deslocamento do veculo off-road de 8,3 m/s(30km/h) e o dimetro externo do
reservatrio, gerando um nmero de Reynolds de valor 149390.
Substituindo os valores de Equao14 e Equao15 na Equao4 obteve-se
um coeficiente global de transferncia (Ui) de 1 W/mC, totalizando um
transferncia de calor taxa de 1,95W. Verificou-se que o calor dissipado pelo
39
reservatrio muito inferior ao calor gerado, ou seja, necessrio o emprego de um
trocador de calor para a refrigerao do fluido Hidrulico.
4.4 DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR
Conforme citado anteriormente, caso a troca de calor entre fluidos envolva
um fluido gasoso, e o espao fsico para instalao do trocador de calo seja restrito,
faz-se o uso de trocadores de calor compactos. No caso do prottipo SAE, ambas as
condies ocorrem.
A metodologia de clculo do trocador de calor exige a escolha de geometrias
e arranjos de aletas que j foram amplamente estudadas e mapeadas
empiricamente, em virtude da troca de calor no miolo desses trocadores serem
complexa por Kays e London, conforme Incropera e DeWitt (2005).
Dessa forma optou-se pelo dimensionamento de um trocador de calor
compacto com tubos circulares e aletas contnuas, superfcie 8.0-3/8T, conforme
figura 10. Este tipo de trocador de calor bastante recorrente em aplicaes
automotivas, alm de possui uma construo mais robusta e facilitada, bem como
possuir boa compactao, isto alta superfcie de troca de calor por unidade de
volume. O diagrama utilizado para clculo encontra- se no anexo C
40
Figura 10: Miolo de trocador de calor compacto selecionado
Fonte: Incropera e DeWitt(2005)
Como se pode perceber, esse arranjo possui alguns dados bastante
especficos para este tipo de geometria e o coeficiente de fator externo pode ser
Encontrado em funo do numero de Colbourn (j) e o nmero de Reynolds do
escoamento do lado do ar.
A velocidade mssica para este caso, leva em considerao a velocidade
mdia do carro, ou seja, aproximadamente 8,3 m/s. Para que a vazo mssica de ar
possa ser melhor controlada, sugere-se a instalao de duas entradas de ar
quadradas, sendo uma em cada lateral, de dimenso (0, 3 m x 0,3m) que
velocidade mdia, permitir a entrada de ar para o trocador de calor, razo de 1,74
kg/s.
Foi arbitrada uma rea frontal para o trocador, de 0,09 m (0,3m X 0,3m),
visando evitar alteraes nas dimenses do chassi do carro e multiplicando-a pela
razo da rea de escoamento livre/rea frontal (), conforme a figura 10, o valor de
G (velocidade mssica) ser, conforme a equao 12, de 36,4 kg.m/s.
41
Para determinao o fator jC , calculou-se o nmero de Reynolds, conforme
a equao 13 e se obteve o valor de 7,6.103.
No diagrama de transferncia de calor (anexo C), observou-se que para este
valor de Nmero de Reynolds, o fator j de Colburn aproximadamente 0,013. Logo.
Aplicando a equao 19, encontra-se o coeficiente h para a superfcie externa (he)
de 600 W/mC.
Apenas deve-se considerar que o material de confeco do trocador de
calor ser de material bom condutor de calor como alumnio ou cobre, logo a
resistncia trmica na parede poder ser desprezada. Porm no se conhecia o
comprimento interno da tubulao do trocador, tampouco a rea interna.
Substituindo a equao 15 na equao 14, o valor do coeficiente global do
trocador de calor encontrado foi de 48 W/mC
4.5 DIMENSES DO TROCADOR DE CALOR
Para determinar as dimenses do trocador, o mtodo -Nut foi aplicado.
Com isso, Cmin e Cmax foram calculados entre os dois fluidos, conforme a equao
10. Lembrando que a vazo mssica no retorno do sistema o dobro da vazo das
bombas, pois o fluido de ambas retorna pela tubulao do Trocador, o que
vantajoso, pois potencializa a transferncia do calor. Substituindo as variveis pelos
valores do fluidos, se tem igual a 1752 W/C e no valor de 1663,2 W/C.
Verificado que Cmin corresponde ao fluido quente ( .
Cmn, por definio o menor valor entre Cf e Cq. Logo, segundo a equao
9, a mxima transferncia de calor possvel neste trocador ser de
A taxa de calor real do sistema de transmisso foi calculada na equao 14,
com o valor de 2962 W. Desta maneira assume o valor de 0,50.
Foi determinada a relao Cmn/Cmx obtendo o valor de 0,95. Esse valor
necessrio para encontrar NUT (nmero de unidades de transferncia, fator
adimensional) do diagrama da figura 11, possibilitando verificar as dimenses do
trocador de calor. Esta configurao de trocador de calor considerada como
42
escoamento cruzado com ambos os fluido no misturados, uma vez que as aletas da
superfcie agem como tubulaes para o ar.
Figura 11: Efetividade de um trocador de calor com escoamento cruzado,
ambos fluidos no misturados.
Fonte: Incropera e DeWitt (2005)
Verificado atravs do diagrama da figura 11 que NUT= 1. Pela equao 16
calculou-se a rea de transferncia trmica do trocador. Portanto a rea superficial
ser de 34,65 m
De acordo com os dados da figura 10, esse arranjo especfico possui uma
rea de transferncia de calor de 587m/m. Sendo assim pode-se calcular o volume
ocupado pelo trocador de calor, que ser de 0,06 m
Como a rea frontal do trocador foi anteriormente definida, com o valor de
0,09 m, o comprimento em direo ao escoamento deste trocador de calor ser de
0,67 m.
Como a rea frontal de 0,09 m, ou seja 0,3 m x 0,3 m e verificando a
distncia entre os tubos, conforme a figura 10, o distncia entre os tubos na rea
frontal de 25,4 mm. Ento o trocador de calor ter, por fileira, um nmero mximo
de tubos igual a 12.
43
Lembrando que, como o arranjo dos tubos alternado, a primeira fileira ter
de ter 11 tubos, a segunda 12, a terceira 11 e assim sucessivamente alternando o
numero de tubos entre 11 e 12.
O nmero de fileiras em relao ao comprimento em direo ao escoamento
(em profundidade), tambm pode ser determinado pela figura 10, onde os
espaamento entre fileiras de tubos de 0,22 mm, portanto em um comprimento de
0,67 m, o numero de fileira de 30 fileiras
As aletas devero ter o mesmo comprimento de 0,67 m em relao ao
escoamento e conforme a figura 10 esto dispostas razo de 315/m. Logo para
este trocador de calor, esto dispostas 95 aletas com espessura de 0,33 mm. O
material dos tubos e das aletas, ser alumnio (K = 237 W/mC), em virtude de sua
elevada capacidade de transferir calor e baixa resistncia trmica.
A figura 12 trs o modelo desenvolvido em software 3D do trocador
desenvolvido neste trabalho, o detalhamento do mesmo apresentado no Apndice
A contido neste documento. A figura 13 apresenta uma viso em corte do trocador
que foi dimensionado.
Figura 12: Modelo 3D do trocador desenvolvido.
44
Figura 13: Modelo 3D em corte do trocador desenvolvido.
45
5. CONSIDERAES FINAIS
O presente trabalho teve como proposta o dimensionamento de um trocador
de calor para arrefecer uma sistema de transmisso hidrulica de um prottipo off
road SAE, onde haver aquecimento do fluido em virtude das perdas de carga.
Foram analisadas tais perdas e determinada a carga trmica gerada, onde se
constatou a necessidade de troca calorfica por meio de um trocador de calor.
Atravs do referencial terico se pode ter um conhecimento mais aprofundado
aos assuntos diretamente abordados neste estudo, sendo eles, fluidos hidrulicos,
sistemas hidrulicos e trocadores de calor, tendo encontrado diretrizes confiveis
para o desenvolvimento dos clculos e assim um dimensionamento apropriado para
a funo a ser desempenhada pelo trocador de calor posteriormente dimensionado.
Os resultados obtidos foram satisfatrios ao esperado. O estudo foi focado
em trocadores de calor compactos e foram encontradas dimenses cabveis ao
projeto e com um rendimento de trocas calorficas satisfatrias ao esperado
inicialmente. O trocador de calor dimensionado capaz de trocar com o ambiente
2910 W, suprindo eficazmente o aquecimento do fluido hidrulico.
Utilizando a metodologia -NUT para o clculo da efetividade e dimenses do
trocador obteve-se xito em relao a dimenses apropriadas ao chassi do prottipo
SAE, sem a necessidade de modificaes significativas, chegando as seguintes
dimenses:
Nmero de aletas:49 aletas
Dimenses das aletas: 670mm x 300mm x 0.33mm
Nmero de fileiras: 30 fileiras.
Tubos por fileira: Intercalado entre 15 fileiras com 11 tubos e 15 fileiras com
12 tubos.
Dimenses dos tubos: ext.:10.2mm, int. 9.2mm
Com os resultados obtidos, ao final deste trabalho, pode-se afirmar que o
mesmo serviu de grande aprendizado profissional, oportunizando a aplicao dos
conhecimentos obtidos nas disciplinas estudadas ao longo do curso, de uma forma
pratica e utilizvel a um projeto que vem sendo desenvolvido na Faculdade
Horizontina.
46
A rea ainda tem grandes estudos a serem desenvolvidos por trabalhos
futuros, como por exemplo, a construo fsica e testes do modelo dimensionado
neste trabalho, bom como a melhoria dos trocadores de calor existentes e assim que
esse meio de transferncia de energia possa ter sua utilizao expandida a demais
mercados, bem como o estudo para a melhora nos materiais utilizados na
construo destes trocadores ou os modelos dos mesmos para que assim as
eficincias destes dispositivos possam ser aumentadas.
47
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
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48
APNDICE A DESENHO DETALHADO DO TROCADOR DE CALOR
49
ANEXO A DIAGRAMA PARA TROCADOR DE CALOR COMPACTO
MIOLO COM TUBOS E ALETAS CONTNUAS.
50
ANEXO B ESPECIFICAES PARA LEO LUBRIFICANTE SHELL
TELLUS S2 M 46
51
52
ANEXO C PROPRIEDADES TERMOFISICAS DE GASES PRESSO
ATMOSFRICA
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