EXERCÍCIO: Resfriamento de Óleo Hidráulico em Máquinas Agrícolas
Você foi contratado para projetar um trocador de calor do tipo bitubular em contracorrente para resfriar o óleo hidráulico de uma colheitadeira de grande porte que opera em regiões tropicais.
O sistema hidráulico utiliza um óleo que deve ser resfriado de
para
antes de retornar ao reservatório.
Para isso, será utilizado água bombeada de um reservatório agrícola à temperatura de
, passando pelo tubo interno (com diâmetro interno de 20 mm ), enquanto o óleo flui na região anular externa (diâmetro externo de 40 mm ).
A vazão mássica do óleo é de
, e a da água,
. O sistema é bem isolado termicamente, com regime permanente.
Qual deve ser o comprimento do trocador de calor para que o óleo atinja a temperatura desejada de saída? Por que usamos o balanço de energia no fluido quente (óleo)?
Por que o comprimento do trocador ficou tão grande?
O que poderíamos fazer para reduzir o comprimento necessário?
Por que é importante garantir a temperatura adequada do óleo?
Resposta: 157 m
O sistema hidráulico utiliza um óleo que deve ser resfriado de
Para isso, será utilizado água bombeada de um reservatório agrícola à temperatura de
A vazão mássica do óleo é de
Qual deve ser o comprimento do trocador de calor para que o óleo atinja a temperatura desejada de saída? Por que usamos o balanço de energia no fluido quente (óleo)?
Por que o comprimento do trocador ficou tão grande?
O que poderíamos fazer para reduzir o comprimento necessário?
Por que é importante garantir a temperatura adequada do óleo?
Resposta: 157 m
Passo 1
Resumindo o enunciado: precisamos resfriar o óleo hidráulico de
para
em regime permanente, usando água a
em contracorrente num trocador bitubular. Os dados são:
– Vazão mássica do óleo .
– Vazão mássica da água .
– Diâmetro interno do tubo onde passa a água .
– Pressupomos capacidades térmicas médias típicas:
para o óleo e
para a água.
– Admitimos um coeficiente global de transferência de calor .
Conteúdo necessário: balanço de energia, cálculo de e uso da relação
, com
.
– Vazão mássica do óleo
– Vazão mássica da água
– Diâmetro interno do tubo onde passa a água
– Pressupomos capacidades térmicas médias típicas:
– Admitimos um coeficiente global de transferência de calor
Conteúdo necessário: balanço de energia, cálculo de
Passo 2
Aplicamos o balanço de energia no óleo (fluido quente) para encontrar a taxa de calor transferido
:
Essa mesma potência aquece a água, portanto
Passo 3
Cálculo do log mean temperature difference (
) em contracorrente:
Passo 4
Da equação
e
, temos
Passo 5
Usamos o balanço de energia no fluido quente porque conhecemos diretamente sua variação de temperatura prescrita (
), o que fixa
. Assim determinamos o calor a ser trocado.
Passo 6
O comprimento ficou tão grande devido à combinação de diâmetro pequeno (área de troca reduzida) e coeficiente global
relativamente baixo, exigindo muita área para transferir calor.
Para reduzir , poderíamos aumentar
(ex.: inserindo turbuladores, aletas ou usando materiais de alta condutividade) ou aumentar o diâmetro interno (maior área de troca), além de melhorar o regime de escoamento.
Para reduzir
Passo 7
Garantir a temperatura adequada do óleo é vital para manter a viscosidade dentro da faixa ideal, assegurar lubrificação eficiente, evitar desgaste prematuro e prevenir falhas no sistema hidráulico.
Resposta
Comprimento necessário
.
Por que usamos balanço no fluido quente? Porque temos fixas suas temperaturas de entrada e saída, o que define diretamente a taxa de calor a ser trocada.
Por que o comprimento ficou tão grande? Pequena área de troca (diâmetro reduzido) e baixo exigem muito comprimento.
Como reduzir ? Aumentando
(turbuladores, aletas) ou a área (diâmetro maior).
Importância da temperatura do óleo: mantém viscosidade, lubrificação e confiabilidade do sistema.
Por que usamos balanço no fluido quente? Porque temos fixas suas temperaturas de entrada e saída, o que define diretamente a taxa de calor a ser trocada.
Por que o comprimento ficou tão grande? Pequena área de troca (diâmetro reduzido) e baixo
Como reduzir
Importância da temperatura do óleo: mantém viscosidade, lubrificação e confiabilidade do sistema.