T RADUÇÃO
DA
4a
EDIÇÃO NORTE - AMERICANA
O objetivo desta obra é apresentar passo a passo a aplicação dos conceitos para o projeto de sistemas térmicos a partir de fundamentação teórica clássica. Claro, objetivo e didático, com várias metodologias de projeto, o texto é complementado com muitos exemplos e exercícios no final de cada capítulo. Destinado a engenheiros que pretendem desenvolver projetos de sistemas fluidotérmicos, este livro está dividido em duas partes: sistemas hidráulicos e trocadores de calor, ou, em termos gerais, dispositivos disponíveis para movimentar fluidos e trocar calor em processos. Diversas aplicações apresentadas no livro incluem uma análise econômica, como a seleção do diâmetro de tubos, o dimensionamento de bombas, a escolha do isolamento ideal, entre outros. Aplicação: livro-texto para as disciplinas de sistemas térmicos, hidráulicos e trocadores de calor, projetos de engenharia, sistemas fluidotérmicos I, II e III e projetos integrados em engenharia mecânica nos cursos de graduação e pós-graduação de engenharia mecânica, química, de controle e automação e engenharia civil. Pode ainda servir de apoio em cursos de engenharia de produção, de alimentos e agrícola.
ISBN 13 978-85-221-2536-4 ISBN 10 85-221-2536-8
PROJETOS DE SISTEMAS FLUIDOTÉRMICOS
William S. Janna
William S. Janna
PROJETOS DE SISTEMAS FLUIDOTÉRMICOS
William S. Janna
OUTRAS OBRAS MECÂNICA DOS FLUIDOS Tradução da 4a edição norte-americana Merle C. Potter, David C. Wiggert e Bassem H. Ramadan
PROJETOS DE SISTEMAS FLUIDOTÉRMICOS TRADUÇÃO
Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br
Sistemas Fluidotermicos_final.indd 1
DA
4a
EDIÇÃO NORTE-AMERICANA
INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICA Tradução da 3a edição norte-americana Jonathan Wickert e Kemper Lewis TERMODINÂMICA PARA ENGENHEIROS Tradução da 1a edição norte-americana Kenneth A. Kroos e Merle C. Potter
9 788522 125364
4/8/16 10:18 AM
PROJETOS DE
Sistemas FluidotĂŠrmicos
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Sumário
Prefácio ....................................................................................................xiii CAPÍTULO
1
Introdução ...................................................................................................1 1.1
O processo do projeto .............................................................................................4
1.2
O processo de licitação ............................................................................................8
1.3
Abordagens para projetos de engenharia ............................................................9
1.4
Exemplo de um projeto .........................................................................................10
1.5
Gerenciamento do projeto ....................................................................................13
1.6
Dimensões e unidades ..........................................................................................18
1.7
Resumo ....................................................................................................................19
1.8
Perguntas para discussão .....................................................................................20
1.9
Mostrar e contar .....................................................................................................21
1.10
Problemas ...............................................................................................................21
CAPÍTULO
2
2TQRTKGFCFGU FQU ƀWKFQU G GSWCÁÐGU D¶UKECU .....................................25 2.1
2TQRTKGFCFGU FQU ƀWKFQU ......................................................................................25
2.2
Medida da viscosidade .........................................................................................31
2.3
Medida de pressão.................................................................................................37
2.4
'SWCÁÐGU D¶UKECU FG OGE¸PKEC FQU ƀWKFQU ........................................................42
2.5
Resumo ....................................................................................................................59
2.6
Mostrar e contar .....................................................................................................60
2.7
Problemas ...............................................................................................................60 VII
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viii
WƌŽũĞƚŽƐ ĚĞ ƐŝƐƚĞŵĂƐ ŇƵŝĚŽƚĠƌŵŝĐŽƐ
CAPÍTULO
3
5KUVGOCU FG VWDWNCÁºQ + ..........................................................................69 3.1
Padrões de canos e tubulação ..............................................................................70
3.2
Diâmetros equivalentes para dutos não circulares ...........................................71
3.3
Equação de movimento para escoamento em um duto ...................................74
3.4
Fator de atrito e aspereza do tubo .......................................................................76
3.5
Perdas localizadas..................................................................................................90
3.6
Sistemas de tubulação em série .........................................................................104
3.7
Escoamento através de seções transversais não circulares ...........................110
3.8
Resumo ..................................................................................................................121
3.9
Mostrar e contar ...................................................................................................125
3.10
Problemas .............................................................................................................125
CAPÍTULO
4
5KUVGOCU FG VWDWNCÁºQ ++.......................................................................139 4.1
O processo de otimização ...................................................................................140
4.2
Diâmetro do tubo econômico.............................................................................149
4.3
Comprimentos equivalentes das conexões ......................................................167
4.4
5ÈODQNQU IT¶ſEQU RCTC UKUVGOCU FG VWDWNCÁºQ ................................................172
4.5
Comportamento do sistema ...............................................................................173
4.6
Sistemas de suporte para tubos .........................................................................178
4.7
Resumo ..................................................................................................................180
4.8
Mostrar e contar ...................................................................................................180
4.9
Problemas .............................................................................................................180
CAPÍTULO
5
6ÎRKEQU UGNGEKQPCFQU GO OGE¸PKEC FQU ƀWKFQU ...............................195
Fluido.indb 8
5.1
Escoamento em redes de tubulação ..................................................................195
5.2
Tubulação em paralelo ........................................................................................205
5.3
Medição da vazão em dutos fechados ..............................................................210
5.4
O problema da drenagem transiente de um tanque.......................................231
5.5
Resumo ..................................................................................................................238
5.6
Mostrar e contar ...................................................................................................238
5.7
Problemas ............................................................................................................239
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Sumário
CAPÍTULO
ix
6
$QODCU G UKUVGOCU FG VWDWNCÁºQ .........................................................251 6.1
Tipos de bombas ..................................................................................................251
6.2
Métodos para testar a bomba .............................................................................252
6.3
Cavitação e carga positiva líquida de sucção ..................................................261
6.4
Análise dimensional das bombas ......................................................................264
6.5
8GNQEKFCFG GURGEÈſEC G VKRQU FG DQODC ...........................................................268
6.6
Práticas de projeto do sistema de bombas .......................................................271
6.7
Ventiladores e desempenho de ventiladores ...................................................288
6.8
Resumo ..................................................................................................................297
6.9
Mostrar e contar ...................................................................................................297
6.10
Problemas .............................................................................................................297
6.11
Problemas de grupo ............................................................................................305
CAPÍTULO
7
#NIWPU EQPEGKVQU HWPFCOGPVCKU UQDTG VTCPUHGTÄPEKC FG ECNQT .......317 7.1
Condução de calor em uma parede plana .......................................................317
7.2
Condução de calor em uma parede cilíndrica .................................................324
7.3
Transferência de calor por convecção: o problema geral...............................327
7.4
Problemas de transferência de calor por convecção: formulação e solução ................................................................................................................328
7.5
Espessura ideal do isolamento...........................................................................341
7.6
Resumo ..................................................................................................................346
7.7
Problemas .............................................................................................................346
CAPÍTULO
8
6TQECFQTGU FG ECNQT FG VWDQU FWRNQU .................................................353
Fluido.indb 9
8.1
Trocador de calor de tubos duplos ...................................................................353
8.2
Análise de trocadores de calor de tubos duplos .............................................361
8.3
Análise da efetividade-NUT ..............................................................................377
8.4
Considerações de projeto do trocador de calor de tubo duplo .....................384
8.5
Resumo ..................................................................................................................391
8.6
Mostrar e contar ...................................................................................................391
8.7
Problemas .............................................................................................................391
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x
WƌŽũĞƚŽƐ ĚĞ ƐŝƐƚĞŵĂƐ ŇƵŝĚŽƚĠƌŵŝĐŽƐ
CAPÍTULO
9
6TQECFQTGU FG ECNQT ECUEQ G VWDQ .........................................................399 9.1
Trocador de calor casco e tubo ..........................................................................399
9.2
Análise dos trocadores de calor casco e tubo ..................................................405
9.3
Análise da efetividade-NUT ..............................................................................418
9.4
Recuperação de calor aumentada em trocadores de calor casco e tubo ........ 424
9.5
Considerações do projeto do trocador de calor casco e tubo ........................428
9.6
Análise da temperatura ideal de saída da água ..............................................434
9.7
Mostrar e contar ...................................................................................................438
9.8
Problemas .............................................................................................................438
CAPÍTULO
10
6TQECFQTGU FG ECNQT FG RNCECU G GUEQCOGPVQ ETW\CFQ .....................443 10.1
Trocador de calor de placas................................................................................443
10.2
Análise de trocadores de calor de placas .........................................................446
10.3
Trocadores de calor de escoamento cruzado ...................................................459
10.4
Resumo ......................................................................................................... 472
10.5
Mostrar e contar ...................................................................................................472
10.6
Problemas .............................................................................................................473
CAPÍTULO
11
&GUETKÁÐGU FQ RTQLGVQ ............................................................................475 Apêndice – Tabelas ...............................................................................................527 Nomenclatura ........................................................................................................552 4GHGTÄPEKCU DKDNKQIT¶ſECU....................................................................................556 Índice remissivo ....................................................................................................558
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PrefĂĄcio
O curso para o qual este livro foi destinado ĂŠ uma pedra fundamental da ĂĄrea de sistemas de energia (ou ciĂŞncias tĂŠrmicas) que corresponde ao curso de projeto de mĂĄquinas na ĂĄrea de sistemas mecânicos. Esse texto ĂŠ escrito para engenheiros que estĂŁo cursando o Ăşltimo ano G RTGVGPFGO RTCVKECT RTQLGVQ Ć€WKFQVĂƒTOKEQ /GE¸PKEC FQU Ć€WKFQU G VTCPUHGTĂ„PEKC FG ECNQT UÂşQ prĂŠ-requisitos ou pelo menos deveria estar incluĂdo neste curso.
ConteĂşdos O texto estĂĄ organizado em duas partes maiores. A primeira ĂŠ sobre sistemas hidrĂĄulicos, misturada com economia na seleção do tamanho de tubos e dimensĂŁo das bombas para sistemas hidrĂĄulicos. A segunda ĂŠ sobre trocadores de calor, ou, em termos gerais, dispositivos FKURQPĂˆXGKU RCTC VTQECT ECNQT GPVTG FQKU Ć€WZQU FG RTQEGUUQU # NKUVC FG VĂŽRKEQU SWG RQFGO UGT incluĂdos ĂŠ quase interminĂĄvel. 1 VGZVQ EQOGĂ C EQO WO ECRĂˆVWNQ KPVTQFWVĂŽTKQ SWG HQTPGEG GZGORNQU FG UKUVGOCU Ć€WKFQtĂŠrmicos. Um sistema de bomba e tubulação, um aparelho de ar-condicionado domĂŠstico, WO CSWGEGFQT FG TQFCRĂƒ WO VQDQÂśIWC G WO CURKTCFQT FG RĂŽ UÂşQ WUCFQU EQOQ GZGORNQU TambĂŠm estĂŁo presentes as dimensĂľes e sistemas de unidade na prĂĄtica da engenharia convencional (ou seja, sistemas de engenharia e gravitacional britânico). O sistema de unidade SI tambĂŠm estĂĄ presente. Espera-se que o aluno conheça os sistemas de unidade, apresentados no CapĂtulo 1, que introduz tabelas com fator de conversĂŁo no apĂŞndice e para familiarizar o leitor com a notação deste texto. O CapĂtulo 1 tambĂŠm contĂŠm uma descrição do processo de projeto. Um exemplo de projeto ĂŠ fornecido e as etapas envolvidas na conclusĂŁo dele sĂŁo apresentadas. Essas etapas incluem o processo de licitação, o gerenciamento do projeto, a EQPUVTWĂ ÂşQ FG WO ITœſEQ FG DCTTCU FCU CVKXKFCFGU FQ RTQLGVQ TGNCVĂŽTKQU GUETKVQU QW QTCKU FQcumentação interna e avaliação dos resultados. 1 %CRĂˆVWNQ Ăƒ WOC TGXKUÂşQ FCU RTQRTKGFCFGU FQU Ć€WKFQU G CU GSWCĂ Ă?GU FC OGE¸PKEC FQU Ć€WKFQU 'UUG ECRĂˆVWNQ HQK KPENWĂˆFQ RCTC HCOKNKCTK\CT QU CNWPQU EQO CU VCDGNCU FG RTQRTKGFCFGU FQU Ć€WKFQU PQ CRĂ„PFKEG 'NG RQFG UGT QOKVKFQ GO WO EWTUQ FG WO UGOGUVTG UG QU CNWPQU GUVKXGTGO EQPĹżCPVGU GO UWCU JCDKNKFCFGU RCTC TGUQNXGT RTQDNGOCU FG OGE¸PKEC FQU Ć€WKFQU 1U dados de viscosidade dos diversos gĂŞneros alimentĂcios encontrados normalmente (ketchup, manteiga de amendoim etc.) estĂŁo incluĂdos para estimular o interesse dos alunos. O CapĂtulo 3 ĂŠ sobre os sistemas hidrĂĄulicos. Espera-se que no momento em que os alunos Ĺż\GTGO GUUG EWTUQ CRTGPFCO UQDTG QU UKUVGOC JKFTÂśWNKEQU PQ RTKOGKTQ EWTUQ GO OGE¸PKEC FQU Ć€WKFQU #SWK GPVTGVCPVQ Q CUUWPVQ FQU UKUVGOCU JKFTÂśWNKEQU Ăƒ EQDGTVQ FG HQTOC DGO FGXI
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WĆŒĹ˝ĹŠÄžĆšĹ˝Ć? ĚĞ Ć?Ĺ?Ć?ƚĞžĂĆ? ŇƾĹ?ÄšĹ˝ĆšÄ ĆŒĹľĹ?Ä?Ĺ˝Ć?
VCNJCFC G GO RTQHWPFKFCFG 'URGEKĹżECĂ Ă?GU FQU FWVQU G VWDQU UÂşQ FKUEWVKFCU 5ÂşQ CRTGUGPVCFCU RGĂ CU EKTEWNCTGU SWCFTCFCU TGVCPIWNCTGU G CPWNCTGU 1 Ć€WZQ NCOKPCT G VWTDWNGPVQ GO ECFC uma dessas peças ĂŠ modelado. O CapĂtulo 4 começa com uma nova seção sobre otimização. VĂĄrios tipos de problemas sĂŁo cobertos para ilustrar como ĂŠ obtida a otimização do sistema. Isso fornece um impulso Ă economia na seleção do tamanho dos tubos, jĂĄ que o mĂŠtodo de custo anual ĂŠ introduzido e FGUGPXQNXKFQ # RTĂŽZKOC UGĂ ÂşQ Ăƒ UQDTG Q EQORTKOGPVQ GSWKXCNGPVG FCU VWDWNCĂ Ă?GU CRTGUGPtado como uma alternativa para a apresentação de perdas localizadas no CapĂtulo 3. O CapĂtulo 4 tambĂŠm contĂŠm padrĂľes ANSI sobre como os sistemas de tubulaçþes devem ser desenhados em visualizaçþes isomĂŠtricas. TambĂŠm ĂŠ apresentado o comportamento do sistema, em que a vazĂŁo em um determinado sistema de tubulaçþes ĂŠ determinada como uma HWPĂ ÂşQ FC HQTĂ C EQPFWVQTC 1U %CRĂˆVWNQU G EQPVĂ„O FKCITCOCU FG HTKEĂ ÂşQ FG VWDQU OQFKĹżcados, Ăşteis na resolução de diversos tipos especiais de sistemas. 1 %CRĂˆVWNQ CDQTFC VĂŽRKEQU UGNGEKQPCFQU GO OGE¸PKEC FQU Ć€WKFQU 'UVG ECRĂˆVWNQ EQOGĂ C EQO WOC UGĂ ÂşQ UQDTG Ć€WZQ GO TGFGU FG VWDWNCĂ Ă?GU HQECPFQ GURGEKCNOGPVG PQ OĂƒVQFQ FG UQNWĂ ÂşQ *CTF[ %TQUU # RTĂŽZKOC UGĂ ÂşQ Ăƒ UQDTG Ć€WZQ GO UKUVGOCU FG VWDWNCĂ ÂşQ RCTCNGNC 'O seguida, hĂĄ uma seção sobre como medir a vazĂŁo em dutos fechados, em que sĂŁo descritos medidores do tipo Venturi, placa-orifĂcio, turbina, ĂĄrea variĂĄvel e cotovelos. O capĂtulo continua com equaçþes para modelar escoamento transiente em problemas de drenagem de tanque. O CapĂtulo 5 ĂŠ incluĂdo como um capĂtulo de referĂŞncia e pode ser omitido em um curso de um semestre. O CapĂtulo 6 ĂŠ sobre bombas. Tipos de mĂĄquinas sĂŁo discutidos e sĂŁo apresentados mĂŠVQFQU FG VGUVG RCTC DQODCU EGPVTĂˆHWICU 1U ITœſEQU VĂˆRKEQU SWG RQFGOQU GPEQPVTCT PQU ECVÂślogos dos fabricantes sĂŁo descritos e usados para ilustrar as etapas sobre como dimensionar uma bomba para um sistema hidrĂĄulico. Ventiladores e tamanho dos ventilados tambĂŠm sĂŁo discutidos. Na conclusĂŁo do estudo desses capĂtulos, um engenheiro seria capaz de projetar um sistema de tubulação otimizado; ou seja, a partir de um layout e uma vazĂŁo desejada, o aluno poderia selecionar o tamanho dos dutos de maior economia, as junçþes, a bomba, o espaçamento de suportes e as presilhas. O CapĂtulo 7 fornece uma introdução aos fundamentos de transferĂŞncia de calor, apresentando as propriedades de transferĂŞncia de calor e tabelas de transferĂŞncia de calor no apĂŞndice. Condução e convecção estĂŁo descritas, mas radiação nĂŁo. Este capĂtulo pretende introduzir os trocadores de calor encontrados no capĂtulo seguinte. O CapĂtulo 7 demonstra como o problema de transferĂŞncia de calor geral, incluindo condução e convecção, pode ser modelado com ĂŞxito. O CapĂtulo 8 ĂŠ sobre trocadores de calor de tubos duplos. O mĂŠtodo DTML (diferença de temperatura mĂŠdia logarĂtmica) ĂŠ derivado e usado para analisar os trocadores existentes. O mĂŠtodo efetividade-NUT tambĂŠm ĂŠ derivado e usado para anĂĄlise. Consideraçþes do projeto, como o dimensionamento de um trocador de calor de tubo duplo, estĂŁo descritas e um procedimento ĂŠ desenvolvido. O CapĂtulo 9 continua com trocadores de calor de placa e tubo. Novamente, os mĂŠtodos DTML e efetividade-NUT sĂŁo usados para analisar trocadores de calor existentes. TambĂŠm incluĂdo aqui estĂŁo os mĂŠtodos usados para aumentar a quantidade de calor que pode ser transferida em tais trocadores. A temperatura de saĂda da ĂĄgua ideal para um custo mĂnimo tambĂŠm ĂŠ apresentada. O CapĂtulo 10 ĂŠ sobre o trocador de calor de placa compacto, bem como trocador de calor FG Ć€WZQ ETW\CFQ #ODQU UÂşQ CPCNKUCFQU WUCPFQ OĂƒVQFQU VTCFKEKQPCKU #U EQPUKFGTCĂ Ă?GU FQ projeto tambĂŠm sĂŁo apresentadas. A ĂŞnfase nos capĂtulos de trocador de calor estĂĄ no projeto e na seleção. A maioria dos capĂtulos contĂŠm uma seção intitulada “Mostrar e contarâ€?. Os alunos sĂŁo UQNKEKVCFQU C HQTPGEGT CRTGUGPVCĂ Ă?GU UQDTG VĂŽRKEQU UGNGEKQPCFQU 2QT GZGORNQ PQ %CRĂˆVWNQ uma seção “Mostrar e contarâ€? requer que o aluno apresente os vĂĄrios tipos de vĂĄlvulas geral-
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mente utilizados. As vĂĄlvulas disponĂveis sĂŁo trazidas para a aula e separadas (ou cortadas na metade antes da aula) para ilustrar como cada uma funciona. A utilização do “Mostrar e EQPVCTĹ’ PGUUG G GO OWKVQU VĂŽRKEQU Ăƒ OWKVQ OCKU GĹżEKGPVG FQ SWG WOC HQVQITCĹżC G VTC\ CQU alunos algumas prĂĄticas sobre como fazer uma apresentação oral. O CapĂtulo 11 ĂŠ uma introdução aos projetos. O curso para o qual este texto ĂŠ destinado TGSWGT SWG QU CNWPQU EQPENWCO QU RTQLGVQU GURGEĂˆĹżEQU %CFC RTQLGVQ GUVÂś CUUQEKCFQ C WOC FGUETKĂ ÂşQ SWG EQOGĂ C EQO CNIWPU EQOGPVÂśTKQU KPVTQFWVĂŽTKQU G VGTOKPC EQO FKXGTUCU VCTGHCU necessĂĄrias. Cada projeto tem uma estimativa do nĂşmero de engenheiros necessĂĄrios para concluĂ-lo num determinado perĂodo do curso. Os alunos sĂŁo responsĂĄveis por selecionar parceiros do projeto e, como um grupo, decidir em quais desejariam trabalhar. Cada grupo GNGIG UGW RTĂŽRTKQ IGTGPVG FG RTQLGVQ QW NĂˆFGT
Projetos Quanto aos projetos, o instrutor ĂŠ um tipo de empreiteiro geral que apresenta vĂĄrios projetos/problemas que precisam de solução. Os grupos de alunos sĂŁo um tipo de pequenas empresas de consultoria e devem decidir quem assume qual projeto. A contemplação dos projetos ĂŠ feita com base no “menor preço da licitaçãoâ€?. Todos os membros do grupo recebem o mesmo salĂĄrio (por exemplo, $55.000 por ano ou conforme designado). Todos os lĂderes do grupo recebem o mesmo salĂĄrio (um pouco maior do que os membros). Com base na estimativa do nĂşmero de pessoas/horas de cada grupo necessĂĄria para concluir as tarefas do projeto, ĂŠ calculado um custo pessoal. Outros custos incluem benefĂcios, taxa para especialistas, tempo de computador e despesa geral. Cada grupo preenche uma folha de orçamento (veja um exemplo no CapĂtulo 1) para cada projeto em que o grupo estĂĄ interessado — geralmente nĂŁo menos que trĂŞs. As licitaçþes sĂŁo seladas em envelopes, e um perĂodo da aula ĂŠ reservado para a “cerimĂ´nia de CDGTVWTC FC NKEKVCĂ ÂşQĹ’ # RTQRQUVC NKEKVCVĂŽTKC OCKU DCKZC FG ECFC RTQLGVQ VGO C QRĂ ÂşQ FG CEGKVCT (ou nĂŁo) o trabalho, lembrando que um projeto do qual o grupo apresentou a proposta mais baixa pode nĂŁo ser aquele em que o grupo mais desejaria trabalhar. Cada grupo, entĂŁo, terĂĄ um projeto para se dedicar e concluir dentro do perĂodo da escola. Os projetos devem ser gerenciados para assegurar que todo o trabalho seja feito antes da Ăşltima ou das duas Ăşltimas semanas de aula, quando a qualidade serĂĄ prejudicada devido Ă pressa do Ăşltimo minuto. Cada grupo deve preencher uma folha de planejamento da tarefa. Cada tarefa ĂŠ mostrada em uma folha, juntamente com quem concluirĂĄ essa tarefa e quando GNC UGTÂś ĹżPCNK\CFC 6QFQ CNWPQ FGXG VGT WO ECFGTPQ GURKTCN QW GSWKXCNGPVG PQ SWCN FGXGTÂś registrar tudo, desde um trabalho real do projeto atĂŠ uma mera chamada telefĂ´nica, e o tempo gasto. Os lĂderes do projeto devem assegurar que cada membro responsĂĄvel do grupo conclua sua tarefa de acordo com a folha de planejamento dela. A folha de planejamento da tarefa pode ser alterada durante o perĂodo do curso, mas uma divisĂŁo de tarefa comparĂĄvel deve UGT CUUWOKFC G CU VCTGHCU KPFKXKFWCKU EQPENWĂˆFCU 0Q ĹżPCN FQ RGTĂˆQFQ QU CNWPQU CRWTCO suas horas e comparam o custo real da conclusĂŁo do projeto ao custo estimado no momento da licitação. 1U TGNCVĂŽTKQU FQ RTQLGVQ UÂşQ HGKVQU FG FWCU HQTOCU RQT GUETKVQ G QTCN 1 TGNCVĂŽTKQ GUETKVQ deve detalhar a solução em todas as fases do projeto, conforme destacado na descrição origiPCN QW OQFKĹżECFQ PCU UGUUĂ?GU FG FKUEWUUÂşQ EQO Q KPUVTWVQT 1 TGNCVĂŽTKQ QTCN FGXG TGUWOKT CU constataçþes e dar recomendaçþes; isso deve ter tempo limitado. Deve ser enfatizado que esse texto nĂŁo fornece uma descrição completa de qualquer uma das ĂĄreas. O objetivo aqui ĂŠ fornecer alguns conceitos do projeto atualmente usados pelos GPIGPJGKTQU RTCVKECPVGU PC ÂśTGC FG UKUVGOCU Ć€WKFQVĂƒTOKEQU 1 CNWPQ FGXG UG NGODTCT SWG QU detalhes do projeto real, em vĂĄrios sistemas, devem ser encontrados em livros, referĂŞncias e RGTKĂŽFKEQU
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WĆŒĹ˝ĹŠÄžĆšĹ˝Ć? ĚĞ Ć?Ĺ?Ć?ƚĞžĂĆ? ŇƾĹ?ÄšĹ˝ĆšÄ ĆŒĹľĹ?Ä?Ĺ˝Ć?
Usando unidades SI neste livro Neste livro, foram usadas unidades MKS e CGS. Unidades USCS ou FPS usadas na edição americana do livro foram convertidas para unidades SI no texto e problemas. Entretanto, no caso de dados provenientes de livros de referĂŞncias, padrĂľes governamentais e manuais de produtos, nĂŁo ĂŠ apenas extremamente difĂcil converter todos os valores para SI, como tambĂŠm invade a propriedade intelectual da fonte. Por isto, alguns dos dados em ĹżIWTCU VCDGNCU G TGHGTĂ„PEKCU RGTOCPGEGO GO WPKFCFGU (25 2CTC NGKVQTGU PÂşQ HCOKNKCTK\CFQU EQO C TGNCĂ ÂşQ GPVTG QU UKUVGOCU (25 G 5+ XGLC Ĺ‘%QPXGTUĂ?GUĹ’ PQ ĹżPCN FQ NKXTQ Para resolver problemas que requerem o uso de dados com fontes, os valores podem ser convertidos de unidade FPS para unidades SI antes de serem usados nos cĂĄlculos. Para obter quantidades padrĂľes e dados de manufatura em unidades SI, os leitores podem consultar as agĂŞncias governamentais apropriadas ou as autoridades do seu paĂs.
Agradecimentos Agradeço a muitas pessoas, alunos e companheiros da faculdade, que forneceram sugestĂľes valiosas sobre como melhorar o texto. AlĂŠm disso, devo muito aos seguintes revisores, SWG NGTCO VQFQ Q OCPWUETKVQ G Ĺż\GTCO UWIGUVĂ?GU SWG OWKVQ OG CLWFCTCO 4C[ 9 $TQYP Christian Brothers University; Don Dekker, Rose Hulman Institute of Technology; Gerald S. JakuDQYUMK Loyola Marymount University; G 'FYKP 2 4WUUQ University of New Orleans. AITCFGĂ Q VCODĂƒO C 'FYCTF #PFGTUQP Texas Tech University; Don Dekker, Rose-Hulman Institute of Technology )GTCNF 5 ,CMWDQYUMK Loyola Marymount University; Ovid A. Plumb, Washington State University; e Gita Talmage, Penn State University. E, ainda, C *KNFC )QYCPU FC %GPICIG .GCTPKPI SWG UGORTG GUVCXC NÂś EQO UWIGUVĂ?GU Ăşteis e orientação quando necessĂĄrias. Estendo meu agradecimento a outras pessoas, sem citar nomes, da Cengage Learning, que me ofereceram suporte para este projeto e que trabaNJCTCO RCTC UWC EQPENWUÂşQ Â?U RGUUQCU SWG Ĺż\GTCO OWKVCU UWIGUVĂ?GU Ă•VGKU RCTC C OGNJQTKC do manuscrito: Kendrick Aung, Lamar University; 'TKM 4 $CTF[ Grove City College; $CMJVKGT Farouk, Drexel University; A. Murty Kanury, Oregon State University e Charles Ritz, California State Polytechnic University, Pomona. # *GPI $CP Utah State University, $CMJVKGT (CTQWM Drexel University, Darrell Guillaume, California State University, Los Angeles, Martin Guillot, University of New Orleans, Hisham Hegab, Louisiana Tech University, Kunal Mitra, Florida Institute of Technology, Ron Nelson, Iowa State University e Steven Pinoncello, University of Idaho. TambĂŠm estendo minha gratidĂŁo Ă Universidade de Memphis por fornecer ajuda com vĂĄrias tarefas ligadas a este projeto. Finalmente, agradeço o encorajamento e apoio de minha amada esposa, Maria, que fez muitos sacrifĂcios enquanto escrevia o texto. William S. Janna
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1 Introdução 5KUVGOCU Ć€WKFQVĂƒTOKEQU ĂŠ uma designação muito ampla que se refere a muitos projetos e dispositivos. Uma combinação de bomba e tubulação ĂŠ um exemplo de WO UKUVGOC FG Ć€WKFQ GO SWG WO Ć€WKFQ Ăƒ VTCPURQTVCFQ 7O CT EQPFKEKQPCFQ Ăƒ WO FKURQUKVKXQ GO SWG WO Ć€WKFQ Ăƒ VTCPURQTVCFQ RQTVCPVQ Ăƒ WO GZGORNQ FG UKUVGOC FG Ć€WKFQ #NĂƒO FKUUQ EQOQ QU GHGKVQU FC VTCPUHGTĂ„PEKC FG ECNQT UÂşQ KORQTVCPVGU PQ CT EQPFKEKQPCFQ RQFGOQU EQPUKFGTÂś NQ WO UKUVGOC Ć€WKFQVĂƒTOKEQ A tĂtulo de ilustração, suponha que, em uma operação de processamento de alimento, se busque mover ervilhas de um local a outro, onde elas serĂŁo empacotadas e congeladas. Isso pode ser realizado por meio de uma tubulação de transporte. Um esboço desse sistema ĂŠ mostrado na Figura 1.1. O ar ĂŠ movido em um sistema de tubulação, por meio de um ventilador, e um funil de alimentação soltarĂĄ as ervilhas PQ Ć€WZQ FG CT GO OQXKOGPVQ # EQODKPCĂ ÂşQ CT GTXKNJC ĹżPCNOGPVG UGIWKTÂś Q EWTUQ para um separador, no qual o ar serĂĄ descartado e as ervilhas, acumuladas. Para projetar esse sistema, ĂŠ preciso conhecer as propriedades fĂsicas das ervilhas, como: faixa de diâmetro, peso de um volume de ervilhas e sua densidade, 5
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direção do fluxo da mistura
1 3
entrada de ar
1. soprador 2. funil de alimentação 3. 20 m 4. 7,5 m 5. 10 m
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6. 25 m 7. 15 m 8. 15 m 9. 7,5 m 10. separador
„ &Ĺ?Ĺ?ĆľĆŒÄ‚ Ď͘Ďŕ´ŠEsboço de uma tubulação de transporte. 1
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WĆŒĹ˝ĹŠÄžĆšĹ˝Ć? ĚĞ Ć?Ĺ?Ć?ƚĞžĂĆ? ŇƾĹ?ÄšĹ˝ĆšÄ ĆŒĹľĹ?Ä?Ĺ˝Ć?
e serĂĄ necessĂĄrio dimensionar a tubulação, com muita atenção nas questĂľes relativas a problemas de saĂşde e segurança – o uso de aço inoxidĂĄvel para gĂŞneros alimentĂcios, por exemplo, ĂŠ o recomendado. O ventilador, o funil de alimentação e o separador devem ser selecionados. Depois de concluĂdo o projeto, selecionam-se QU ICPEJQU G UWRQTVGU RCTC C VWDWNCĂ ÂşQ G Q RTQLGVQ VQFQ FGXG UGT XGTKĹżECFQ G TGXKUCdo para garantir que funcionarĂĄ adequadamente, entregando o volume de ervilhas necessĂĄrio ao separador. Como o investimento nessa operação serĂĄ considerĂĄvel, o custo geral do sistema deve ser mantido em um limite aceitĂĄvel. É importante considerar nĂŁo apenas os custos iniciais e operacionais, como tambĂŠm a expectativa FG XKFC Ă•VKN FC KPUVCNCĂ ÂşQ 1 RTQLGVQ FGUUG UKUVGOC FG Ć€WKFQ KPEQOWO PÂşQ Ăƒ VTKXKCN requerendo um planejamento cuidadoso – o engenheiro que for projetar tal sistema terĂĄ de se preocupar com isso. Consideremos um ar-condicionado ou uma unidade de refrigeração, cujo esDQĂ Q UG GPEQPVTC PC (KIWTC C UGIWKT 1 Ć€WKFQ KPVGTPQ EQPJGEKFQ EQOQ refrigerante, passa por um ciclo Ă medida que se move pelo sistema: ele ĂŠ comprimido pelo compressor e sai como um vapor superaquecido, que entra no trocador de calor (igual a um radiador de carro); entĂŁo um ventilador move o ar atmosfĂŠrico sobre a serpentina ou sobre os tubos do condensador e o calor ĂŠ transferido do refrigerante que se encontra dentro dos tubos para o ar fora deles. Durante esse processo, o refrigerante se condensa. Em seguida, o lĂquido refrigerante segue para um tanque (nĂŁo mostrado), onde, por gravidade, ele ĂŠ separado de qualquer vapor restante. O lĂquido refrigerante entĂŁo ĂŠ retirado da parte inferior desse tanque e segue por um tubo capilar (um tubo longo de diâmetro bastante reduzido), no qual experimenta UKIPKĹżECVKXC RGTFC FG RTGUUÂşQ G RTQRQTEKQPCN SWGFC FG VGORGTCVWTC 1 TGHTKIGTCPte lĂquido frio ĂŠ entĂŁo transportado para um evaporador (dispositivo semelhante ao condensador). O ar que passa por fora da serpentina do evaporador perde energia RCTC Q TGHTKIGTCPVG SWG UG GPEQPVTC PQ UGW KPVGTKQT Q SWCN ICPJC GPGTIKC UWĹżEKGPVG para se vaporizar. Depois de passar pelo evaporador, o refrigerante segue para um tanque acumulador (nĂŁo mostrado), no qual o lĂquido e o vapor sĂŁo separados por gravidade. O vapor, entĂŁo, ĂŠ retirado pela parte de cima desse tanque, retornando ao compressor, e o ciclo se repete. localizado fora da moradia ar aquecido
condensador
localizado no sĂłtĂŁo da moradia
refrigerante refrigerante condensado sub-resfriado
evaporador
ar frio
tubo capilar ventilador
vĂĄlvula de via Ăşnica
vĂĄlvula de via Ăşnica refrigerante superaquecido compressor
vapor refrigerante
„ ŕ´Š&Ĺ?Ĺ?ĆľĆŒÄ‚ ĎÍ˜ĎŽŕ´Š Ć?Ä?ŽĕŽ ĚĞ ƾžĂ ƾŜĹ?ĚĂĚĞ ĚĞ Ä?ŽŜĚĹ?Ä?Ĺ?ŽŜĂžĞŜƚŽ ĚĞ Ä‚ĆŒÍ˜
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Introdução
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Quando se usa esse sistema para resfriar o ar em uma casa ou em um refrigerador, Q GXCRQTCFQT ĹżEC NQECNK\CFQ FGPVTQ FC ECUC QW FQ TGHTKIGTCFQT G Q CT KPVGTPQ RCUUC RGNC UGTRGPVKPC 1 EQPFGPUCFQT G Q EQORTGUUQT IGTCNOGPVG ĹżECO NQECNK\CFQU HQTC G o ar ambiente escoa pela serpentina do condensador. Assim, o refrigerante transfere energia do evaporador dentro da casa, e tambĂŠm do compressor, para o condensador. %QOQ XKOQU Q EQORTGUUQT OQXG Q Ć€WKFQ RQT VQFQ Q UKUVGOC 1 Ć€WKFQ GO UK passa mudanças de fase em diversos locais dentro do sistema, disso resultando uma transferĂŞncia de energia do evaporador para o condensador. A energia do compresUQT FGXG UGT FGVGTOKPCFC CU NKPJCU SWG EQPFW\GO Q Ć€WKFQ FGXGO UGT FKOGPUKQnadas, os trocadores de calor devem ser selecionados, o sistema inteiro deve ser RQUKEKQPCFQ G Q Ć€WKFQ FGXG UGT GUEQNJKFQ GPVTG QU OWKVQU VKRQU FKURQPĂˆXGKU Q SWG requer rigorosa atenção Ă s diretrizes relativas ao ambiente. AlĂŠm disso, o custo geral do sistema deve ser mantido dentro de limites competitivos e razoĂĄveis, devendo-se considerar tanto os custos inicial e operacional quanto a expectativa de vida do sistema. Obviamente, o projeto desse sistema fluidotĂŠrmico comum nĂŁo ĂŠ trivial; portanto, requer planejamento cuidadoso e amplo, e o engenheiro que for projetĂĄ-lo terĂĄ de cuidar desse planejamento. Em seguida, considere a operação de uma usina de energia. Em sistemas convencionais, o vapor ĂŠ produzido e passa por uma turbina, abaixo da qual se encontra um trocador de calor cuja função ĂŠ condensar o vapor em ĂĄgua lĂquida. O calor do XCRQT Ăƒ VTCPUHGTKFQ RCTC C ÂśIWC SWG Ăƒ VKTCFC FG WO TKQ QW NCIQ RTĂŽZKOQ GPVTGVCPVQ em razĂŁo de preocupaçþes ambientais, ĂŠ melhor dissipar o calor rejeitado pelo sisVGOC GO WO TGUGTXCVĂŽTKQ FG TGUHTKCOGPVQ FQ SWG GO WO TKQ RTĂŽZKOQ 4GUGTXCVĂŽTKQ de resfriamento ĂŠ aquele feito pelo homem, com dimensĂľes de um pequeno lago e contendo pulverizadores que boiam na superfĂcie da ĂĄgua, espalhando-a para cima ĹŒ WOC RCTVG FC ÂśIWC XCRQTK\CFC VTCPUHGTG ECNQT RCTC Q CT CEKOC FQ TGUGTXCVĂŽTKQ 1Wtros modos de transferĂŞncia de calor tambĂŠm podem estar presentes. A Figura 1.3 apresenta o esquema de um condensador de uma usina de energia G FG WO TGUGTXCVĂŽTKQ FG TGUHTKCOGPVQ 5GLC SWCN HQT C VGORGTCVWTC FQ CT Ăƒ RTGHGTĂˆXGN
condensador
alimentação da caldeira
da turbina
bomba/motor 180 m
reservatĂłrio de resfriamento
vaporizadores flutuantes
„ Figura 1.3ྯ Ć?Ä?ŽĕŽ ĚĞ ƾžĂ Ĺ?ĹśĆ?ƚĂůĂĕĆŽ ĚĞ ĆŒÄžĆ?ÄžĆŒÇ€Ä‚ĆšĹżĆŒĹ?Ĺ˝ ĚĞ ĆŒÄžĆ?Ä¨ĆŒĹ?Ä‚ĹľÄžĹśĆšĹ˝Í˜
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O objetivo desta obra é apresentar passo a passo a aplicação dos conceitos para o projeto de sistemas térmicos a partir de fundamentação teórica clássica. Claro, objetivo e didático, com várias metodologias de projeto, o texto é complementado com muitos exemplos e exercícios no final de cada capítulo. Destinado a engenheiros que pretendem desenvolver projetos de sistemas fluidotérmicos, este livro está dividido em duas partes: sistemas hidráulicos e trocadores de calor, ou, em termos gerais, dispositivos disponíveis para movimentar fluidos e trocar calor em processos. Diversas aplicações apresentadas no livro incluem uma análise econômica, como a seleção do diâmetro de tubos, o dimensionamento de bombas, a escolha do isolamento ideal, entre outros. Aplicação: livro-texto para as disciplinas de sistemas térmicos, hidráulicos e trocadores de calor, projetos de engenharia, sistemas fluidotérmicos I, II e III e projetos integrados em engenharia mecânica nos cursos de graduação e pós-graduação de engenharia mecânica, química, de controle e automação e engenharia civil. Pode ainda servir de apoio em cursos de engenharia de produção, de alimentos e agrícola.
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PROJETOS DE SISTEMAS FLUIDOTÉRMICOS
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