(15,0 Pontos) Injetoras de plástico são equipamentos industriais empregados na moldagem de materiais como termoplásticos e termofixos. Elas funcionam introduzindo o material aquecido em moldes, permitindo a fabricação de peças com formas e tamanhos bem definidos. Esse tipo de tecnologia é amplamente adotado em diversos setores, sendo capaz de produzir desde itens pequenos, como tampas e componentes eletrônicos, até peças de maior porte, como painéis usados na indústria automotiva e recipientes plásticos em geral. Uma indústria de autopeças, responsável pela injeção de componentes plásticos de baterias automotivas, precisa instalar 5 injetoras de plástico para atender uma nova demanda de uma determinada montadora. Contudo, como restrição de projeto imposta pela montadora, objetivando uma maior qualidade das peças injetadas, será necessário instalar 1 chiller por injetora, para atender as respectivas demandas de resfriamento do molde de injeção. Cada chiller deve remover uma carga térmica de 37000 \mathrm{kcal} / \mathrm{h}, a uma vazão de 12 \mathrm{~m}^{3} / \mathrm{h}. Além disso, cada injetora demandará 160 \mathrm{~L} / \mathrm{min} de água de torre de resfriamento para o trocador de calor do sistema hidráulico. A diferença de temperatura nominal entre a entrada e saída do trocador de calor é de 5^{\circ} \mathrm{C}. Com base nestas informações:
a) Dimensionar uma torre de resfriamento para o projeto, conforme requisitos apresentados;
b) Sugerir um Plano de Manutenção para a torre de resfriamento indicada;
c) Dimensionar um chiller por injetora, conforme requisitos de projeto apresentados;
d) Qual foi o tipo de condensação sugerido para os chiller? Por que se optou por esta configuração?
e) Sugerir um plano de manutenção para os chiller dimensionados.

Passo 1

O enunciado dá os seguintes dados e pede as perguntas listadas abaixo.
Dados fornecidos (vou listar exatamente como estão no enunciado):
  • Número de injetoras: 5.
  • Cada injetora terá 1 chiller.
  • Cada chiller remove uma carga térmica de 37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}.
  • Cada chiller trabalha com uma vazão de 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} (essa é a vazão de água do condensador associada a cada chiller).
  • Cada injetora demanda 160\\ \mathrm{L}/\mathrm{min} de água da torre para o trocador do sistema hidráulico.
  • Diferença de temperatura nominal (entre entrada e saída) do trocador hidráulico: 5^{\circ}\mathrm{C}.
Perguntas pedidas:
a) Dimensionar uma torre de resfriamento para o projeto (capacidade térmica, vazão de água, sugestão de arranjo).
b) Sugerir um Plano de Manutenção para a torre de resfriamento.
c) Dimensionar um chiller por injetora conforme requisitos apresentados (verificar capacidade em kW/TR, verificar se a vazão dada é coerente).
d) Indicar qual tipo de condensação foi sugerido para os chillers e justificar a opção.
e) Sugerir um plano de manutenção para os chillers.

Passo 2

Antes de calcular, vamos revisar as fórmulas e conceitos que vamos usar — explicação didática, passo a passo, sem pular etapas.
  1. Transformações de unidade importantes:
  • Massa de água: densidade aproximada \rho = 1{,}0\\ \mathrm{kg}/\mathrm{L} = 1000\\ \mathrm{kg}/\mathrm{m}^3. Portanto 1\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} = 1000\\ \mathrm{kg}/\mathrm{h}.
  • Capacidade calorífica da água (aprox.): c_p \approx 1{,}0\\ \mathrm{kcal}/(\mathrm{kg}\cdot{}^\circ\mathrm{C}). Isso facilita contas sem a necessidade de constantes estranhas.
  • Conversão energética: 1\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} = 1{,}162222\\ \mathrm{W}\quad(\text{aprox. }1{,}162\\ \mathrm{W})e 1\\ \mathrm{TR}\\ (\text{tonelada de refrigeração}) \approx 3{,}517\\ \mathrm{kW}.çãAlternativamente 1\\ \mathrm{TR}\approx 3026\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}. Vou usar ambas quando for conveniente.
  1. Fórmula básica de transferência térmica por alteração de temperatura da água:
Q = \dot{m}\, c_p\, \Delta T,
onde:
  • Q é a potência térmica (em \mathrm{kcal}/\mathrm{h} se \dot{m} estiver em \mathrm{kg}/\mathrm{h}, c_p em \mathrm{kcal}/(\mathrm{kg}\cdot{}^\circ\mathrm{C}) e \Delta T em ^\circ\mathrm{C});
  • \dot{m} é a vazão mássica de água em \mathrm{kg}/\mathrm{h};
  • c_p é a capacidade térmica da água;
  • \Delta T é a variação de temperatura que a água sofre no trocador (entrada-saída).
  1. Estratégia de dimensionamento da torre:
  • A torre deve rejeitar toda a carga térmica que vier dos chillers (calor removido nos evaporadores, que é rejeitado no condensador) e as cargas térmicas adicionais que venham do resfriamento hidráulico do sistema (trocadores do óleo/sistema hidráulico). Portanto somamos essas potências para achar a carga total a ser rejeitada pela torre.
  • Também somamos as vazões de água que a torre precisa fornecer/recircular: vazões de condensador (agua do chiller) + vazões dos trocadores hidráulicos.
Com esse conjunto de fórmulas e conversões definidas, vamos calcular.

Passo 3

Calcular a carga térmica produzida pelo resfriamento hidráulico de uma injetora (usar Q=\dot{m}\,c_p\,\Delta T).
Dados por injetora:
  • Vazão de água do trocador hidráulico: 160\\ \mathrm{L}/\mathrm{min}.
    Converter para \mathrm{m}^3/\mathrm{h}: 160\\ \mathrm{L}/\mathrm{min} = 0{,}16\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{min} = 0{,}16\cdot 60 = 9{,}6\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}.Em massa: \dot{m} = 9{,}6\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}\cdot 1000\\ \mathrm{kg}/\mathrm{m}^3 = 9600\\ \mathrm{kg}/\mathrm{h}.
  • c_p \approx 1{,}0\\ \mathrm{kcal}/(\mathrm{kg}\cdot{}^\circ\mathrm{C}).
  • \Delta T = 5^\circ\mathrm{C}.
Aplicando a fórmula:
Q_{\text{hidráulico, por injetora}} = 9600\\ \mathrm{kg}/\mathrm{h}\cdot 1{,}0\\ \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{kg}\cdot{}^\circ\mathrm{C}}\cdot 5^\circ\mathrm{C} = 48000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}.á
Interpretação: cada injetora, pelo trocador hidráulico, gera uma carga térmica de 48000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} que precisa ser levada à torre.

Passo 4

Calcular a carga térmica dos chillers e verificar a coerência da vazão de 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} por chiller com a carga dada.
  • Cada chiller removes 37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} (dado). Esse é o calor que sai do processo (moldes) e que, via evaporador, será rejeitado pelo condensador (mais a energia do compressor, se contabilizarmos potência adicional — aqui usaremos o valor dado como carga a ser rejeitada pelo circuito de água do condensador, salvo indicação em contrário no enunciado).
Verificação da vazão de 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}:
  • Vazão mássica por chiller: \dot{m}_{\text{chiller}} = 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}\cdot 1000\\ \mathrm{kg}/\mathrm{m}^3 = 12000\\ \mathrm{kg}/\mathrm{h}.
  • Se a água do condensador muda \Delta T_{\text{evap}}, a relação deveria ser \Delta T_{\text{evap}} = \frac{Q_{\text{chiller}}}{\dot{m}_{\text{chiller}}\, c_p} = \frac{37000}{12000\cdot 1{,}0} \approx 3{,}083^\circ\mathrm{C}.
Interpretação: com a vazão de 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}, a água do condensador precisaria variar cerca de 3{,}08^\circ\mathrm{C} para absorver os 37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}. Isso é perfeitamente plausível (valor típico de \Delta T em condensadores de água pode ficar na faixa de 3–6 °C dependendo do projeto). Então a vazão está coerente.

Passo 5

Calcular os totais (para as 5 injetoras) que definirão a torre:
  1. Total de cargas hidráulicas:
Q_{\text{hidráulico,total}} = 5\cdot 48000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} = 240000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}.á
  1. Total de cargas dos chillers (evaporadores):
Q_{\text{chillers,total}} = 5\cdot 37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} = 185000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}.
  1. Carga térmica total a ser rejeitada pela torre (somando ambos):
Q_{\text{torre,total}} = 240000 + 185000 = 425000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}.
Converter para kW (para termos familiaridade prática):
Q_{\text{torre,total}} = 425000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}\cdot 1{,}162222\\ \mathrm{W}/(\mathrm{kcal}/\mathrm{h}) \approx 494350\\ \mathrm{W}\approx 494{,}35\\ \mathrm{kW}.
Converter para toneladas de refrigeração (TR):
\text{TR} = \frac{494{,}35\\ \mathrm{kW}}{3{,}517\\ \mathrm{kW}/\mathrm{TR}} \approx 140{,}6\\ \mathrm{TR}.
Observação pedagógica: portanto a torre precisa ser capaz de rejeitar cerca de \mathbf{425000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}}, que equivale a \mathbf{494{,}35\\ \mathrm{kW}} ou \mathbf{140{,}6\\ \mathrm{TR}}.

Passo 6

Calcular a vazão total de água que a torre precisa fornecer/recircular (somar as vazões de condensador e as do trocador hidráulico):
  • Vazão de condensador por chiller: 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}. Para 5 chillers: V_{\text{cond,total}} = 5\cdot 12 = 60\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}.
  • Vazão do trocador hidráulico por injetora: 9{,}6\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} (já calculado). Para 5 injetoras: V_{\text{hid,total}} = 5\cdot 9{,}6 = 48\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}.
  • Vazão total: V_{\text{torre,total}} = 60 + 48 = 108\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}.
Em massa:
\dot{m}_{\text{torre}} = 108\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}\cdot 1000 = 108000\\ \mathrm{kg}/\mathrm{h}.
Podemos também estimar a \Delta T média que a torre teria que proporcionar (apenas para entendimento):
\Delta T_{\text{média, torre}} = \frac{Q_{\text{torre,total}}}{\dot{m}_{\text{torre}}\, c_p} = \frac{425000}{108000\cdot 1{,}0}\approx 3{,}935^\circ\mathrm{C}.é
Interpretação: com essa vazão total, a torre precisa causar cerca de 3{,}94^\circ\mathrm{C} de queda de temperatura no circuito combinado — isso é razoável para uma torre de circuito aberto trabalhando com água de condensador. (Em projeto real também se avalia temperatura de bulbo úmido, drift, abordagem, etc.; aqui usamos a energia e vazão para dimensionamento básico.)

Passo 7

Sugestão prática de dimensionamento e arranjo da torre (opções, justificativas e recomendações):
  1. Capacidade térmica:
  • A torre precisa rejeitar \mathbf{425000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}}, isto é \mathbf{\approx 494{,}35\\ \mathrm{kW}} ou \mathbf{\approx 141\\ \mathrm{TR}}. É prudente escolher uma capacidade comercial um pouco acima para margem e perdas, por exemplo projetar para \mathbf{~150\\ \mathrm{TR}} efetivos (segurança contra condição quente/umidade alta e para evitar operação sempre perto do limite).
  1. Vazão de água:
  • Deve suportar pelo menos V_{\text{torre,total}} = \mathbf{108\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}}. Recomendo prever válvula de equilíbrio e possibilidade de ajustar distribuição entre células (se mais de uma).
  1. Número de células / modularidade e escolha do tipo:
  • Recomendo torre modular com duas células induzidas (induced-draft) contra-fluxo (counterflow), cada célula com capacidade nominal de cerca de 75\\ \mathrm{TR}. Assim, com duas células de 75\\ \mathrm{TR} você tem capacidade total teórica ~ 150\\ \mathrm{TR} (> 140{,}6\\ \mathrm{TR}), o que dá margem. Vantagens dessa configuração:
    • Redundância: se uma célula estiver parada (manutenção), a outra pode manter parte do resfriamento para evitar paradas de produção.
    • Induced-draft (ventilador no topo sugando o ar) tende a ser mais eficiente e menos sujeito a recirculação local que o forced-draft em aplicações industriais.
    • Counterflow permite área de preenchimento (fill) mais compacta e melhor transferência térmica por unidade de área.
  • Alternativa: três células menores (ex.: 3 × 50 TR) também dá boa redundância e capacidade de modular a operação conforme carga variável.
  1. Observações de projeto que você deve pedir em projeto executivo:
  • Escolher torre com drift eliminator (redução de perda de água).
  • Pré-verificar temperatura de bulbo úmido local — a capacidade real depende dele; as capacidades nominais estão em condições padrão.
  • Bombas e tubulações dimensionadas para 108\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} com perda de carga das células e trocadores; prever válvulas de balanceamento, filtros de entrada e purga (blowdown).
  • Prever bacia de água com volume suficiente e ponto de drenagem, controle de nível, soprador de fundo se necessário.

Passo 8

Dimensionamento e verificação do chiller por injetora (item c) e escolha do tipo de condensação (item d):
  1. Capacidade do chiller (dado): cada chiller remove \mathbf{37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}}.
    Converter para kW:
37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}\cdot 1{,}162222\\ \mathrm{W}/(\mathrm{kcal}/\mathrm{h}) \approx 42986\\ \mathrm{W}\approx 42{,}99\\ \mathrm{kW}.
Converter para TR:
\frac{42{,}99\\ \mathrm{kW}}{3{,}517\\ \mathrm{kW}/\mathrm{TR}} \approx 12{,}22\\ \mathrm{TR}.
Portanto cada chiller deve ser especificado para aproximadamente \mathbf{43\\ \mathrm{kW}} ou \mathbf{12{,}2\\ \mathrm{TR}}.
  1. Coerência com a vazão:
  • Já verificamos que com 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} o \Delta T do condensador/evaporador fica em torno de 3{,}08^\circ\mathrm{C}, o que é perfeitamente válido.
  1. Tipo de condensação (resposta ao item d — explicarei motivo técnico):
  • Sugestão: condensação por água (water-cooled) com torre de refrigeração. Em outras palavras, chiller do tipo água-resfriada, com condensador aquecido por água que será resfriada pela torre. Justificativas:
    • Eficiência energética: chillers water-cooled tipicamente têm melhor coeficiente de desempenho (COP) que chillers a ar para a mesma aplicação, reduzindo consumo elétrico — importante em produção contínua.
    • Compatibilidade com requisito do enunciado (foi dada vazão de 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} por chiller), que indica circuito de água do condensador já previsto.
    • Menor ruído e menor espaço ocupado no telhado (comparado a vários chillers a ar com grandes aletas).
    • Em aplicações industriais com demanda contínua e maior capacidade (12 TR cada aqui), a solução água/tower é normalmente a mais eficiente e econômica.
  • Observação prática: escolher condensador em trocador de calor casco-e-tubo ou placa (dependendo do fluido secundário, manutenção e espaço). Normalmente usa-se condensador casco-e-tubo ou trocador de placas de aço inox se houver questão de contaminação. O circuito entre chiller e torre deve ser separado do circuito de processo (evaporador) por trocadores quando necessário.

Passo 9

Plano de manutenção sugerido para a torre de resfriamento (item b) — explicação didática e prática organizada por frequência. Vou explicar por que cada ação é importante.
Manutenção diária (rotina operacional):
  • Verificar nível de água na bacia e reposição automática (importante para evitar entrada de ar nas bombas).
  • Verificar operação das ventoinhas e ruído anormal.
  • Checar drenagem e vazamentos visíveis.
  • Verificar atuação do dreno de blowdown (se houver) e nível de condutividade (se houver painel de controle).
Manutenção semanal:
  • Inspeção visual de incrustações ou algas na bacia.
  • Verificar pontos de entrada de sujeira / filtros de entrada; limpar quando necessário.
  • Verificar funcionamento das válvulas de equilíbrio e válvulas de by-pass.
Manutenção mensal:
  • Medir parâmetros de qualidade da água: condutividade, pH, alcalinidade, dureza, cloro residual (dependendo do tratamento usado). Ajustar dosagens químicas.
  • Verificar e limpar eliminadores de deriva (drift eliminator) se houver acúmulo.
  • Limpeza leve do preenchimento (fill) por aspiração ou jatos de baixa pressão (evitando danificar o fill).
Manutenção trimestral:
  • Verificar o alinhamento e condições dos ventiladores, polias, correias (trocar se houver desgaste).
  • Verificar estado das bombas e acoplamentos, lubrificação de mancais conforme recomendações do fabricante.
  • Fazer limpeza mais profunda da bacia (retirar sedimentos), conforme necessidade.
Manutenção semestral / anual:
  • Desmontagem parcial para limpeza do packing/fill (se houver incrustações difíceis).
  • Inspeção e limpeza de trocadores, tubos e drenos.
  • Reparos de revestimento anticorrosivo e pintura quando necessário.
  • Teste de desempenho (curva de vazão x perda de carga) e verificar eficiência (queda de temperatura real vs esperada).
  • Troca preventiva de correias, e verificação elétrica completa (contatores, relés, sensores de nível).
  • Revisão do sistema de tratamento químico: calibrar bombas dosadoras, trocar cartuchos de filtro se existir.
Recomendações adicionais:
  • Ter contrato de tratamento de água (química) com laboratório/serviço especializado para prevenir corrosão, incrustação e proliferação biológica (legionella, algas).
  • Manter registros de manutenção e consumo de água; planejar inspeções preditivas (vibração de motores, termografia do painel elétrico).

Passo 10

Plano de manutenção para os chillers (item e) — organizado e explicado o porquê das ações.
Manutenção diária / operação (rotina de operador):
  • Verificar indicadores de pressão e temperatura (pressões de sucção/descarga, retornos de água).
  • Observar alarmes no painel e registrar horas de operação.
  • Verificar nível de refrigerante e vazamentos aparentes (cheiro, manchas de óleo).
  • Verificar leituras de temperatura de processo (se o chiller está mantendo setpoint).
Manutenção semanal / quinzenal:
  • Limpeza dos filtros de ar de ventilação do motor (se aplicável) e filtros de água do circuito (strainors).
  • Verificar nível de óleo (se compressor for de lubrificação por óleo) e possíveis manchas de vazamento.
Manutenção mensal:
  • Verificar estado elétrico: aperto de bornes, sinais de aquecimento anômalos.
  • Conferir torque em polias e correias (se houver) e sistemas mecânicos.
  • Checar válvulas de expansão, válvulas de serviço, filtros secadores (substituir se necessário).
  • Medir corrente elétrica dos compressores para detectar sobrecarga.
Manutenção semestral / anual:
  • Verificação de carga de refrigerante e teste de estanqueidade (busca de vazamentos com detector eletrônico ou teste de pressurização).
  • Troca de óleo do compressor (se aplicável) e filtro de óleo.
  • Limpeza e/ou lavagem do trocador de calor (tubos do condensador) e verificação de incrustações; no caso de condensador casco-e-tubo, pode ser necessário limpeza química.
  • Verificar e calibrar controles e sensores (pressostatos, termostatos, sondas).
  • Teste de eficiência energética: comparar consumo vs carga e verificar COP; se muito degradado, investigar causas (sujeira, vazamento, falha mecânica).
  • Prever peças sobressalentes principais: válvulas solenoides, pressostatos, sensores, kit de vedação do compressor, motor elétrico de ventilador.
Recomendações operacionais:
  • Manter registros de manutenção e performance para avaliar deriva de COP.
  • Ter procedimentos documentados de partida/parada para evitar golpes térmicos.
  • Se possível, prever redundância parcial (chillers em paralelo ou banco com by-pass) para permitir manutenção sem parada total da produção.

Passo 11

Resumo das decisões técnicas e recomendações finais (o que você deve levar ao comprador/projeto executivo):
  • Torre: projetar para pelo menos \mathbf{425000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}} ( \approx 494{,}35\\ \mathrm{kW}, \approx 141\\ \mathrm{TR}), vazão \mathbf{108\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}}. Recomendo 2 células induced-draft counterflow de \sim 75\\ \mathrm{TR} cada (total \sim 150\\ \mathrm{TR}) para redundância e margem operacional.
  • Chillers: cada um com capacidade \mathbf{37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h}} ( \approx 43\\ \mathrm{kW} ou \approx 12{,}2\\ \mathrm{TR}), vazão de água de 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}. Tipo: água-resfriada (condensação por água com torre).
  • Manutenção: seguir os planos descritos acima para torre e chillers, com tratamento químico de água, registros e inspeções periódicas.

Resposta

a) Torre: capacidade térmica total a rejeitar 425000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} ( \approx 494{,}35\\ \mathrm{kW} \approx 140{,}6\\ \mathrm{TR}); vazão de água necessária 108\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h}; sugestão prática: torre modular induced-draft counterflow, 2 células de \sim 75\\ \mathrm{TR} cada (total \sim 150\\ \mathrm{TR}) para margem e redundância.
b) Plano de manutenção da torre: rotina diária (nível, ventiladores, vazamentos), semanal (inspeção visual, limpeza filtros), mensal (controle e ajuste químico, limpar eliminadores de deriva), trimestral (verificação de ventiladores, bombas, correias), semestral/anual (limpeza profunda do fill, inspeção anticorrosão, teste de desempenho, contrato de tratamento de água).
c) Chiller por injetora: capacidade 37000\\ \mathrm{kcal}/\mathrm{h} \approx 42{,}99\\ \mathrm{kW} \approx 12{,}22\\ \mathrm{TR}; vazão do condensador 12\\ \mathrm{m}^3/\mathrm{h} coerente (resulta em \Delta T\approx 3{,}08^\circ\mathrm{C}).
d) Tipo de condensação: condensação por água (chillers água-resfriada com torre de resfriamento). Justificativa: maior eficiência energética, compatibilidade com vazões dadas, menor custo operacional em regime contínuo e melhor performance em aplicações industriais; opção por induced-draft counterflow na torre por eficiência e menor recirculação.
e) Plano de manutenção dos chillers: verificações diárias (pressões/temperaturas, alarmes, nível de refrigerante), semanais/mensais (filtros, elétricos, checagem de óleo), semestrais/anuais (teste de estanqueidade, limpeza química do condensador, troca de óleo e filtros, calibração de sensores, teste de performance, peças sobressalentes essenciais).

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