2.1 Definição do sistema
O sistema que será concebido objetiva auxiliar uma unidade industrial que
utiliza óleo de motor quente em um sistema de lubrificação a resfriar o óleo antes de
o recircular no processo. O resfriamento será realizado utilizando água disponível na
planta. Devido ao caráter contínuo do sistema de lubrificação, o trocador de calor a
ser desenvolvido deverá operar em regime permanente, sem que haja mudança de
fase dos fluídos de trabalho. A temperatura de operação do óleo e da água como
fluídos de trabalho, é de respectivamente com temperaturas de entrada de 90°C e
18°C e temperaturas de saída de 77°C e 31,375°C. Há uma perda de carga definida
como 40 kPa e os fluxos de massa são de 10 Kg/s para a água e 20 Kg/s para o
óleo. Dentre os diferentes tipos de classificação de trocadores de calor, foi definido
no problema a utilização de um trocador do tipo casco e tubo, que é um tipo de
trocador de calor de contato indireto, sendo ele projetado para capacidades e
condições de operação diversas, diferentemente de muitos outros tipos de
trocadores de calor que possuem aplicações mais restritas (KAKAÇ, 2012). O
(KAKAÇ, 2012) ressalta também que os trocadores de calor de casco e tubo podem
ter chicanas, sendo estas usadas para promover uma melhor transferência de calor
e para apoiar os tubos como também podem ter vários arranjos de casco e tubos
que depende do serviço de calor, pressão, incrustação, técnicas de fabricação,
custo, controle de corrosão e limpeza. Deste modo, o sistema está completamente
definido, tendo sido concluído também inclusive a fase de concepção, que é a
primeira das quatro etapas da metodologia para o desenvolvimento do projeto,
sendo estas quatro etapas a fase de concepção, design, fase de implementação e a
fase de operação. Com esta definição, há o objetivo nos próximos tópicos do
dimensionamento preliminar do trocador determinando a carga térmica do processo,
a diferença de temperatura média logarítmica e uma estimativa da área necessária
de troca térmica.
2.4. Definição dos materiais (condutividade térmica k)
A definição dos materiais a serem utilizados no casco e nos tubos do trocador
de calor dependem de diversos fatores de cunho técnico e também econômico.
Com base no (KUPPAN, 2013), a correta definição dos materiais demanda que os
requisitos de operação sejam previamente determinados com clareza, ou seja que
as temperaturas de operação e as propriedades dos fluidos sejam plenamente
descritas para que se possa fazer uma avaliação destas com critérios objetivos
expostos na bibliografia citada previamente. Em posse das condições de operação,
podemos avaliar através de critérios como tipos de corrosão, soldagem,
condutividade térmica, resistência do material à pressão hidrostática de operação,
facilidade à incrustação, preço das matérias primas, processos de conformação
mecânica e usinagem quais materiais possuem uma aplicação mais eficaz para as
condições propostas.
No que diz respeito à pressão hidrostática de operação, o teste hidrostático é
um teste comum realizado em tubos e é requerido em trocadores de calor conforme
recomenda o Código ASME (American Society of Mechanical Engineers). As
pressões de teste geralmente são de 6,9 MPa, a menos que seja especificado uma
pressão de teste maior, e como consequência o tubo não deve apresentar qualquer
evidência de vazamento.
Em se tratando de corrosão, diferentes tipos de materiais irão sofrer distintos
tipos de corrosão, cada um com suas potencialidades e fraquezas (KUPPAN, 2013).
é importante destacar que os tubos geralmente são projetados com uma vida útil
significativamente menor do que a da casca, já que podem ser facilmente
substituídos. Também é importante que a escolha leve em consideração a
eletronegatividade de cada material, para que seja evitada a corrosão galvânica em
meio aquoso, por isso os tubos devem ser catódicos em relação a materiais em
contato como por exemplo as chapas de tubo. Dentre alguns dos muitos tipos de
corrosão que poderiam ser citados, há a corrosão por pites, corrosão intergranular, a
bioincrustação, erosão-corrosão, exfoliação e muitos outros.
A facilidade de soldagem do material é outro fator a ser considerado
(KUPPAN, 2013). dentre os fatores que influenciam a soldagem de metais diferentes
incluem os seguintes: interligas, corrosão eletroquímica, expansão diferencial e
diluição de metais de solda.
Em posse destas informações, e ao considerar os dados propostos para a
elaboração do projeto que funcionará em regime permanente, com óleo e água
como fluídos de trabalho, operando eles respectivamente com temperaturas de
entrada de 90°C e 18°C e temperaturas de saída de 77°C e 31,375°C. Sendo a
água o agente oxidante e em posse de suas propriedades ela foi classificada como
água doce para fins de projeto. Portanto, para este fim surgem como opções de
materiais para o projeto no dimensionamento preliminar o aço carbono, o aço
inoxidável, o bronze comercial e o alumínio puro. Em razão do alumínio puro possuir
a maior condutividade térmica das opções listadas, com um valor de 237 W/m*K à
temperatura de 300 Kelvins e alteração da condutividade térmica menor do que 1%
para valores entre 300 e 400 Kelvins de temperatura (ÇENGEL, 2012), maior
leveza, maior facilidade de usinagem e conformação mecânica, e as condições de
operação descritas anteriormente não serem agressivas para ele, este material em
questão é o escolhido para os tubos, casco, chicanas e chapas de tubo. Evitando-se
inclusive a corrosão galvânica com a adoção de um único material.
É ressaltado ainda no (KUPPAN, 2013) que as ligas de alumínio têm alta
resistência à corrosão na maioria das atmosferas, águas e muitos produtos
químicos, enquanto que seus produtos de corrosão não são prejudiciais à ecologia.
Ademais é defendido que combinações únicas de propriedades proporcionadas pelo
alumínio e suas ligas fazem do alumínio um dos materiais mais versáteis e
econômicos para aplicações em trocadores de calor. As propriedades que
favorecem o alumínio para aplicações em trocadores de calor são as seguintes:
Leve e alta resistência específica; Alta condutividade térmica; Alta resistência à
corrosão atmosférica e a ambientes como água doce, água salgada e muitos
produtos químicos e suas soluções; Ele tem a capacidade de ser moldado em vários
formatos, tubos, padrões; Capacidade de ser unida por soldagem, brasagem e
soldagem. Desse modo, a escolha pelo Alumínio Puro (1xxx) é objetivamente
fundamentada no (KUPPAN, 2013) e em aspectos econômicos buscando-se um
bom custo-benefício.