Seleção de trocador de calor para resfriamento de óleo hidráulico
Uma prensa hidráulica dissipa 12 kW em calor no óleo, que deve ser mantido a 55 °C. O óleo (cp ≈ 2,0 kJ/kg·K) circula a 0,30 kg/s e entra no trocador a 65 °C, saindo a 50 °C. A água de resfriamento está disponível a 25 °C e pode sair a no máximo 40 °C. O espaço físico limita o trocador a uma área de troca de 3,5 m². O coeficiente global estimado é U = 450 W/m²·K para um trocador de placas e U = 250 W/m²·K para um trocador casco-tubo. A equipe de compras quer escolher o equipamento mais barato, que é o casco-tubo.
1. Calcule a carga térmica real do óleo e a vazão de água necessária, verificando a coerência com a dissipação de 12 kW.
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Carga térmica do óleo: Q = m·cp·ΔT = 0,30 × 2000 × (65 − 50) = 9000 W = 9 kW. Isso é menor que os 12 kW dissipados pela prensa, indicando que o trocador, nas condições dadas, não remove todo o calor; o óleo tenderia a aquecer até novo equilíbrio. Para remover 12 kW, seria necessário aumentar a vazão de óleo ou a queda de temperatura. Vazão de água para 9 kW com ΔT = 15 K: m = Q/(cp·ΔT) = 9000/(4180×15) ≈ 0,144 kg/s. Para 12 kW, seria ≈ 0,191 kg/s. A análise mostra que a especificação de vazão de óleo e temperaturas é insuficiente para a carga real, e o projetista deve revisar o balanço de energia antes de escolher o trocador.
2. Determine se o trocador casco-tubo atende à área disponível, usando o método da diferença de temperatura média logarítmica.
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Para escoamento contracorrente: ΔT1 = 65 − 40 = 25 K; ΔT2 = 50 − 25 = 25 K. Como ΔT1 = ΔT2, LMTD = 25 K. Área necessária com U = 250 W/m²·K: A = Q/(U·LMTD) = 9000/(250×25) = 1,44 m². Com U = 450 W/m²·K, A = 9000/(450×25) = 0,80 m². Ambos caberiam nos 3,5 m², mas é preciso considerar fator de incrustação (fouling) e margem de projeto de 20 a 30%, além do fator de correção F para escoamento não puramente contracorrente. Com margem de 25% e fouling, a área do casco-tubo pode chegar a cerca de 2,0 a 2,5 m², ainda dentro do limite. Portanto, do ponto de vista térmico, o casco-tubo é viável para 9 kW, mas não para 12 kW sem revisão das vazões.
3. Discuta os critérios de decisão além do custo inicial que a equipe deveria considerar.
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Além do custo inicial, deve-se avaliar: (a) custo operacional com bombeamento, pois o casco-tubo tende a ter maior perda de carga e menor U, exigindo mais área ou vazão; (b) facilidade de limpeza e manutenção, já que o óleo pode incrustar e o trocador de placas é desmontável; (c) ocupação de espaço e peso; (d) margem térmica para dias quentes ou aumento de carga; (e) confiabilidade e risco de mistura óleo-água em caso de falha de vedação; (f) vida útil e disponibilidade de peças. A decisão deve ser baseada no custo total de propriedade, não apenas no preço de compra, e deve incluir verificação térmica com fouling e margem de projeto.