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

BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da termodinmica. 7. ed So Paulo: Blucher, 2009.

BRUNETTI, Franco. Mecnica dos Fluidos. 2. ed. So Paulo: Pearson

Prentice Hall, 2008. ENGEL, Y. A. Transferncia de calor e massa: Uma abordagem pratica. 3.

ed So Paulo: McGraw Hill, 2009. FIALHO, Arivelto B. Automao Hidrulica: Projetos, Dimensionamentos e

Anlise de Circuitos. 2. ed. Tatuap: Ediitora rica, 2004. INCROPERA, F. P.; DE WITT, D. P. Transferncia de calor e massa. 5. ed

So Paulo: LTC, 2005. LINSINGEN, Irlan von. Fundamentos de sistemas Hidrulicos. 2. ed.

Florianpois: Ed. Da UFSC, 2003.

ZISIK, M. Necati. Heat Transfer. So Paulo: McGraw Hill, 1979.

PALMIERI, Antonio Carlos. Manual de Hidrulica Bsica. 9. ed. Porto Alegre: Rancine Hidrulica Ltda, 1994.

RADIADORES FENIX. Catlogo de radadores e equipamentos para

arrefecimento. Disponvel em: < http://seligaboituva.com.br/radiadores_fenix_boituva.html>. Acesso em 12 nov. 2013

SCHMIDT F. W.; HENDERSON R. E.; WOLGEMUTH C. H. Termodinmica,

Mecnica dos fluidos e Transferncia de Calor. 2. ed. So Paulo: Blcher, 2004. SHELL BRASIL PETRLEO LTDA. Dados tcnicos Oleo Hidrulico Tellus

S2 M 46. Disponvel em: . Acesso em 30 out. 2013.

SHELL BRASIL PETRLEO LTDA. Shell LubeMatch. Disponvel em:<

http://lubematch.shell.com.br/br/pt_BR/equipment/tb_tc_te_tf_series_lsht_torqmotors

_016983>. Acesso em: 25 out. 2013.

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