TCC - Juliano Pietsch Moretto

TCC - Juliano Pietsch Moretto

(Parte 1 de 4)

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Mecânico

Orientadora: Profa. Dra. Nice Mika Kaminari

CURITIBA 2017

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Prof. Nilson Barbiere Pontifícia Universidade Católica do Paraná

Prof. Valter Salles
Prof. Stephan Och

Curitiba/PR, 17 de Junho de 2017.

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Este trabalho foi motivado pela necessidade de dimensionamento de um trocador de calor que será utilizado em uma embarcação, cujo propósito é realizar a refrigeração de um motor Diesel de uso convencional (urbano) adaptado em um barco de 23 pés de comprimento. O objetivo geral foi dimensionar a área de troca térmica responsável por resfriar o fluido refrigerante que circula internamente ao motor, e com isso atender a necessidade do cliente, que demanda desse equipamento para operar no ambiente marítimo. Temperaturas de entradas e saídas foram definidas para realização dos cálculos, além das vazões mássicas dos fluidos, consequentemente as propriedades termo físicas dos mesmos. O tipo de trocador escolhido foi o de casco e tubos representando a melhor solução para esse fim, pela baixa complexidade geométrica e outras aplicações semelhantes no mercado. A metodologia para o dimensionamento foi a aplicação do método da diferença de temperatura média logarítmica (DTML) para o fluido frio (água marinha) e o método de McAdams para determinação do coeficiente convectivo no casco do trocador de calor casco e tubos. Resultados satisfatórios como o comprimento e número dos tubos, diâmetros do casco entre outras dimensões foram definidas para a carga térmica requerida baseado nas restrições de tamanho na casa de máquinas da embarcação.

Palavras chave: Trocador de calor marítimo. Dimensionamento, Casco e tubos, Média logarítmica das diferenças de temperatura (MLDT), McAdams.

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

This work was motivated by the need to design a heat exchanger that will be used in a boat, whose purpose is to perform the cooling of an adapted diesel engine in a boat 23 feet in length. The customer demands for this equipment, because there isn’t something in the market that offers a reliable solution for this aim. The general objective was to dimension the area of a thermal exchange responsible for cooling the refrigerant circulating internally to the engine. In order to do this, the sea water is pumped to perform thermal exchange with the refrigerant. In other words, sea water "draws" heat from the refrigerant circulating internally to the engine. For the design, the calculation procedure is based on traditional methods of mass and heat transfer based on knowledge acquired during the mechanical engineering course at PUCPR. Based on the size restrictions in the engine room of the vessel, the heat exchanger was dimensioned and optimized for this situation, taking into account the longitudinal length limitation. Satisfactory results were achieved within the predicted, using empirical methods already tested in the literature.

Key-words: Marine heat exchanger. Thermal design.

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Figura 1 - Motor Volvo Penta marítimo2
Figura 2 - Motor MWM - Sprinter 6 cilindros marinizado3
Figura 3 - Projeto conceitual5
Figura 4 - Decomposição da função global23
Figura 5 - Fluxo do fluido quente e fluido frio no sistema24
Figura 6 - Arranjo triangular dos tubos internos3

LISTA DE FIGURAS Figura 7 - Croqui do trocador de calor casco e tubos .................................. 39

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Quadro 1 - Caderno de encargos6
Quadro 2 - Requisitos do cliente7
Quadro 3 - Especificações do projeto10
Quadro 4 - Alternativas para o tipo de trocador de calor21
Quadro 5 - Seleção do tipo de trocador de calor2
Quadro 6 - Objeto relacionado com entradas e saídas do sistema23
Quadro 7 - Matriz de alternativas para materiais de fabricação25
Quadro 8 - Matriz de alternativas para o processo de fabricação25
Quadro 9 - Seleção de escolha do material de fabricação26

LISTA DE QUADROS Quadro 10 - Seleção de escolha para os processos de fabricação ................ 27

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Tabela 1 - Diagrama de Mudge7
Tabela 2 - Classificação dos requisitos do cliente8
Tabela 3 - Resistencia térmica pela incrustação13
Tabela 4 - Dados coletados28
Tabela 5 - Propriedades termo físicas do fluido quente (refrigerante)29
Tabela 6 - Temperatura do fluido frio29
Tabela 7 - Propriedades termo físicas do fluido frio (água marinha)30
Tabela 8 - Especificação física dos tubos internos31
Tabela 9 - Valores fixos calculados36
Tabela 10 - Resultados do processo tentativa/erro37
Tabela 1 - Resultado das dimensão dos tubos e casco38
Tabela 12 - Custos dos materiais40

LISTA DE TABELAS Tabela 13 - Custos para o processo de fabricação ........................................ 40

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

Resistência de incrustação, (m2.K/W) , Resistência de incrustação interna ao tubo,(m2.K/W)

Taxa líquida de transferência de calor calculada,(W) Taxa líquida de transferência de calor do fluido frio,(W)

Taxa líquida de transferência de calor do fluido quente,(W) Vazão mássica,(kg/s)

Vazão mássica do fluido quente,(kg/s)

Vazão mássica do fluido frio,(kg/s) ∆ Variação de temperatura,(K)

∆Tm Diferença de temperatura média logarítmica dois fluidos,( ) Velocidade média de escoamento,(m/s)

Diâmetro externo do tubo,(m) Diâmetro interno do tubo,(m)

Área superficial interna do tubo,(m2)

Área superficial externa do tubo,(m2) Número de Prandtl

Número de Nusselt

, Temperatura de entrada do fluido frio,(K)

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

, Temperatura de saida do fluido frio,(K) , Temperatura de entrada do fluido quente,(K)

, Temperatura de saida do fluido quente,(K)

, Temperatura média do fluido quente,(K)

, Temperatura média do fluido frio,(K)

Comprimento do tubos,(m) Diferença de temperatura média logarítmica

Tubular Exchangers Manufactures Association

Negative Temperature Coefficient

Espessura da parede,(m)

Vazão massica do fluido nos canais,(kg/s) Espaçamento entre os diâmetros externos dos tubos,(m)

Espaçamento entre as chicanas,(m)

Área da seção transversal de escoamento do fluido,(m2) Número de Reynolds

Número de Reynolds para o fluido quente Número de Reynolds para o fluido frio

Número de passes nos tubos Fator de atrito nos tubos

Viscosidade dinamica do fluido quente,(N.s/m2) μ Viscosidade do fluido na temperatura média da superfície de troca,(Pa.s)

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

1 INTRODUÇÃO1
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA1
1.2 JUSTIFICATIVA1
1.3 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS3
1.3.1 Objetivo geral3
1.3.2 Objetivos específicos3
1.4 METODOLOGIA DO PROJETO4
1.4.1 Metodologia do projeto informacional4
1.4.2 Metodologia do projeto conceitual4
1.4.3 Metodologia do projeto detalhado5
2 PROJETO INFORMACIONAL6
2.1 LEVANTAMENTO DAS NECESSIDADES DO CLIENTE6
2.2 REQUISITOS DO CLIENTE6
2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS REQUISITOS DO CLIENTE7
2.4 ESPECIFICAÇÃO DOS REQUISITOS DO PROJETO8
3 PROJETO CONCEITUAL1
3.1 O ESTADO DA ARTE PARA TECNOLOGIAS RELACIONADAS1
3.1.1 Transferência de calor na engenharia1
3.1.2 Técnicas de dimensionamento12
3.1.3 Fator de incrustação em trocadores de calor12
3.1.3.1 Resistência térmica da Incrustação12
3.1.4 Trocador de calor do tipo placa e quadro13
3.1.5 Trocador de calor do tipo superfície estendida e aleta13
3.1.6 Trocador de calor do tipo duplo tubo14
3.1.7 Trocador de calor do tipo casco e tubo14
3.1.7.1 Norma TEMA15
3.2 METODOLOGIA PARA O CÁLCULO TÉRMICO15
3.3 BENCHMARKING20

SUMÁRIO 3.3.1 Alternativas de concepções de equipamentos ............................................ 20

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

3.3.2 Seleção do equipamento21
4 PROJETO DETALHADO23
4.1 DEFINIÇÃO DA ESTRUTURA FUNCIONAL DO EQUIPAMENTO23
4.2 PROCESSO CONSTRUTIVO24
4.2.1 Matriz de alternativas para materiais de fabricação24
4.2.2 Matriz de alternativas para o processo de fabricação25
4.2.3 Definição do material de fabricação26
4.2.4 Definição do tipo de processo para fabricação27
4.3 CONSIDERAÇÕES GERAIS PARA CÁLCULO27
4.4 MEMORIAL DE CÁLCULOS28
4.4.1 Coeficiente de transferência de calor convectivo nos tubos31
4.4.2 Coeficiente de transferência de calor convectivo no casco32
4.4.3 Resultados do dimensionamento35
4.4.4 Desenho croqui e técnico39
4.4.5 Custos39
5 CONCLUSÃO41
REFERÊNCIAS42
ANEXO A – CATÁLOGO VOLVO PENTA D4-2254
ANEXO B – CATÁLOGO BOWMAN HEADER TANK HEAT EXCHANGERS46
ANEXO C – CATÁLOGO MWM MOTORES SPRINTER48
ANEXO D – CLASSIFICAÇÃO TEMA49
ANEXO F – CATALOGO DA BOMBA CENTRIFUGA50
APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO PARA O CLIENTE52

APÊNDICE B – DESENHO TÉCNICO ..................................................................... 53

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

1 INTRODUÇÃO

1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA

Trocador de calor é um dispositivo que facilita a troca térmica entre dois fluidos com temperaturas diferentes. Aplica-se no resfriamento e aquecimento de ambientes domésticos, produção de energia e produção de potência em grandes usinas. A pesquisa e o aperfeiçoamento dos trocadores de calor têm uma longa história, sempre buscando-se aprimora-los. Os trocadores de calor mais comuns são aqueles em que os fluidos não se misturam e estão isolados através de uma parede e/ou tubos, onde o calor “escoa” de um fluido para outro. Existem vários tipos, formas e configurações destes dispositivos, que podem ser desde um simples tubo dentro de outro, até um condensador ou evaporador [1].

Um trocador de calor marítimo é semelhante a um sistema de arrefecimento de um automóvel; a diferença está nos fluidos de trabalho: ao invés de água/ar, tem-se água/água no trocador marítimo. Uma vez absorvido a energia do fluido quente, o fluido frio é então descarregado ao mar, em um sistema aberto de vazão mássica.

O problema encontrado pelo cliente está no processo de resfriamento do fluido quente, nos qual circula internamente ao motor da embarcação. Para resolver esse problema o dimensionamento do trocador de calor se faz necessário para esse serviço. Esse trocador de calor projetado garantirá uma vida útil do motor e economia de combustível, pois a temperatura nominal de trabalho do motor será mantida sem grandes oscilações, assegurando a durabilidade e o desempenho do motor à longo prazo, uma vez que o bloco do motor estará em contato somente com o fluido refrigerante.

1.2 JUSTIFICATIVA

Já são conhecidos no mercado trocadores de calor para esse fim, mas estas soluções somente estão disponíveis como um equipamento constituinte de um sistema completo de motor e transmissão acoplado, não sendo comercializado de forma separada para uma montagem especifica customizada, como é a necessidade do cliente. Soluções hoje encontradas no mercado brasileiro se restringem em alguns

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA fabricantes caseiros sem nenhuma especificação de capacidade térmica, muito menos catálogo de referência.

Motores à Diesel utilizados em caminhões e utilitários possuem um sistema de arrefecimento por meio de trocadores de calor cruzado com ventilação forçada (radiador). Esses motores comumente são adaptados ou marinizados para operar como propulsores em embarcações, atendendo às necessidades desejadas. Seu uso justifica-se pelo baixo custo de montagem comparado com sistemas completos comerciais já marinizados de fábrica voltado exclusivamente para embarcações, conforme mostra a Figura 1. Nesses casos, muitas vezes é necessário importar, e deste modo, o setor náutico de pequeno porte demanda por trocadores de calor para atender esses motores adaptados em embarcações.

Figura 1 - Motor Volvo Penta marítimo.

FONTE: [2]

O trabalho aqui se propõe a fazer o dimensionamento de um trocador de calor que irá garantir a refrigeração a fim de manter a temperatura dentro das condições normais de trabalho especificadas pelo fabricante (ANEXO C), para um Motor MWM Sprint de 4 cilindros e potência de 130 cv em 2800 rpm, características de potência comumente utilizadas para embarcações de até vinte e três pés de comprimento longitudinal, que é necessidade do cliente e contribui para o aperfeiçoamento na área.

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

A Figura 2 é um exemplo da implementação de um trocador de calor em um

Motor MWM Sprint 6 cilindros de uso comercial em utilitários de médio porte, sendo esse adaptado para uso marítimo. O processo de adaptação em um jargão técnico é chamado de marinização.

Figura 2 - MOTOR MWM - SPRINTER 6 CILINDROS MARINIZADO.

FONTE: [3] 1.3 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS

Dimensionamento térmico de um trocador de calor resfriador, para arrefecimento de um motor marítimo.

1.3.2 Objetivos específicos Os objetivos específicos do trabalho são:

a) Determinar a taxa de transferência de calor máxima do fluido quente, para renovação de calor; b) Definir o tipo de trocador de calor;

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA c) Definir a área de troca térmica; d) Dimensionar a vazão da bomba centrífuga; e) Realizar o orçamento de custos;

1.4 METODOLOGIA DO PROJETO

A fim de se buscar a qualidade, reduzir tempo e custos, um método de fases de projeto é amplamente utilizado no curso do desenvolvimento de produto, sendo constituído de uma sequência de quatro etapas: Projeto Informacional, Projeto Conceitual, e Projeto Detalhado. Cada fase poderá ser retroalimentada, se necessário, melhorando o entendimento do problema com informações faltantes aumentando a produtividade visando o real entendimento do problema [4].

1.4.1 Metodologia do projeto informacional

Para o real entendimento do problema, todas as informações necessárias ao pleno entendimento das necessidades do cliente serão levantadas por meio de um questionário escrito e conversa informal visando coletar o máximo de informações pertinentes ao desenvolvimento do produto. Em seguida, essas informações serão transcritas, partindo de uma linguagem informal para uma linguagem mais técnica de engenharia. O objetivo é tornar esses requisitos aptos a receberem dimensões e/ou serem mensurados, posteriormente servir de base para a caracterização dos requisitos de projeto, e na sequência a geração das especificações de projeto [5].

Definido os requisitos do cliente, o passo seguinte visando a qualidade do projeto é aplicar o diagrama de Mudge, cujo objetivo é, permitir a comparação de duas funções, com o propósito de identificar o de maior relevância ou mais importante dentre todos listados pelo cliente [6].

Percebe-se que “os requisitos do cliente devem ser comparados aos pares a fim de que, ao final da comparação, possa se conhecer a sua importância relativa” [7].

1.4.2 Metodologia do projeto conceitual

O projeto conceitual é a etapa em que as concepções do produto serão geradas, funcionalidades do projeto claramente definido a partir de uma necessidade

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA identificada. É a concepção para um produto que atenda da melhor forma possível à necessidade do cliente e suas restrições. Esta fase é de extrema importância: uma vez definido os critérios, estes afetarão as etapas posteriores, e para isso o estado da arte das tecnologias relacionadas será levantado. No projeto conceitual, as informações são tratadas e manipuladas pelo projetista de acordo com o seu raciocínio lógico; a criatividade é a chave para a qualidade desse processo [8]. Na Figura 4, um diagrama da finalidade básica do projeto conceitual está apresentada.

Figura 3 - PROJETO CONCEITUAL.

FONTE: O Autor, 2017. 1.4.3 Metodologia do projeto detalhado

O projeto detalhado tem o objetivo de dar o suporte necessário para que o projeto do produto esteja pronto para a manufatura, ou seja, desenhos com suas tolerâncias, cálculos de dimensionamento e custos. O projeto detalhado deve ainda garantir que os requisitos de segurança baseado em normas serão seguidos.

Projeto conceitual

Necessidades do cliente Restrições

Conceito da solução

Pontifícia Universidade Católica do Paraná ENGENHARIA MECÂNICA

2 PROJETO INFORMACIONAL

2.1 LEVANTAMENTO DAS NECESSIDADES DO CLIENTE

Para este projeto, as variáveis coletadas junto ao cliente se fez necessário para o real entendimento do trocador de calor a ser dimensionado, tais como: temperaturas de entrada e saída do fluido quente e frio, especificação do fabricante do motor e vazão mássica do fluido quente (refrigerante do motor). Um questionário por escrito e perguntas foram aplicados ao cliente em forma de entrevista (Apêndice A), para levantar o maior número possível de informações das necessidades do cliente. Como este projeto está sendo desenvolvido para um único cliente e este possui um certo conhecimento técnico, foi de grande valia ajudando no levantamento dos dados para estruturar os requisitos do projeto através de suas necessidades, conforme Quadro 1.

Quadro 1 - CADERNO DE ENCARGOS Necessidades do Cliente

1) Ter tamanho máximo de 500 m de comprimento.

2) Refrigerar a água do motor propulsor para evitar aquecimento. 3) Ser um trocador de calor resistente à água marinha. 4) Ter entradas e saídas dos fluidos compatíveis com mangueiras já existentes 5) Ser de fácil limpeza interna e manutenção. 6) Ser de baixo custo de fabricação. 7) Ter materiais de fácil obtenção comercial para fabricação.

8) Ter garantia que não irá entrar água marinha dentro do motor. FONTE: O Autor, 2017

2.2 REQUISITOS DO CLIENTE

Feito o levantamento das necessidades do cliente, essas características serão transformadas em requisitos do cliente, buscando convertê-las em uma linguagem mais técnica. Os requisitos do cliente visam mensuradas e/ou atribuir grandezas para melhor classificação dos mesmos no decorrer do processo de projeto e fabricação, conforme Quadro 2.

(Parte 1 de 4)

Comentários