Dimensionamento de um trocador de calor de três seções tipo tubo aletado e avaliação de sua eficiência na instalação de um equipamento de pavimentação

Abstract

Trocadores de calor do tipo tubo aletado são de extrema importância para a indústria de máquinas pesadas devido sua alta eficiência e por serem compactos. O presente trabalho visa o dimensionamento e avaliação do protótipo de um trocador de calor com três módulos montados em conjunto, instalado em um equipamento de pavimentação. As temperaturas de entrada dos fluidos foram especificadas, sendo: 79°C, 99,8°C e 205°C para o óleo hidráulico, líquido de arrefecimento e ar do intercooler, respectivamente. Assim como as temperaturas, as vazões de cada fluido eram conhecidas, sendo: 3,33 kg/s, 3,46 kg/s e 0,16 kg/s para o óleo hidráulico, líquido de arrefecimento e ar do intercooler, respectivamente. Uma das limitações de projeto trata das dimensões totais disponíveis na plataforma mecânica do equipamento, sendo: 850 mm, 830 mm e 230 mm, para a largura, altura e espessura do trocador, respectivamente. O tipo de trocador de calor selecionado para este projeto foi o tubo aletado, por questões de reduzido custo de fabricação e peso comparado a outras opções avaliadas. O material utilizado para a construção dos tubos, aletas e módulos é o alumínio, visto sua boa condutividade térmica, reduzido custo e peso comparado a outras opções. Seguindo a metodologia da Média Logarítmica da Diferença de Temperaturas (LMTD) avaliou-se algumas configurações quanto as velocidades internas e externas dos escoamentos, quedas de pressões internas e externas, dimensional da construção e da potência necessária pela hélice acoplada ao motor. Chegou-se ao dimensionamento de 16 tubos aletados de óleo hidráulico, 13 tubos aletados de líquido de arrefecimento e 6 tubos aletados no intercooler. Os diâmetros internos, externos e das aletas utilizados foram de, respectivamente: 47 mm, 48 mm e 68 mm para o módulo de óleo hidráulico e líquido de arrefecimento, e de 55 mm, 56 mm e 68 mm para o módulo do intercooler. Após a configuração ideal selecionada elaborou-se o protótipo deste trocador de calor e realizouse sua instalação em um equipamento com o objetivo de testá-lo. Com o auxílio de uma câmera termográfica para medições das temperaturas dos fluidos e do uso da mesma metodologia de cálculo do projeto, verificou-se um erro de aproximadamente 12,4%, 8,6% e 3,5% entre a potência térmica do projeto e os testes do protótipo no equipamento, para o módulo do óleo hidráulico, líquido de arrefecimento e interccoler, respectivamente. Também, com o auxílio de um anemômetro, verificou-se um erro da vazão de ar externo gerada pela hélice do motor de aproximadamente 4,2%, entre a vazão do projeto e as medições do protótipo no equipamento.

Finned tube heat exchangers are extremely important for the heavy machinery industry due to their high efficiency and compact size. The present work aims at the design and evaluation of a prototype heat exchanger with three modules assembled together, installed in a paving equipment. The fluid inlet temperatures were specified as 79°C, 99.8°C and 205°C for the hydraulic oil, coolant and intercooler air, respectively. As well as the temperatures, the flow rates of each fluid were known, being: 3.33 kg/s, 3.46 kg/s and 0.16 kg/s for the hydraulic oil, coolant and intercooler air, respectively. One of the design limitations deals with the total dimensions available on the mechanical platform of the equipment, being: 850 mm, 830 mm and 230 mm, for the width, height and thickness of the exchanger, respectively. The heat exchanger type selected for this project was the finned tube, for manufacturing cost and weight reduction reasons compared to other evaluated options. The material used for the tubes, fins and modules construction is aluminum, due to its good thermal conductivity, reduced cost and weight compared to other options. Following the methodology of Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD), several configurations were evaluated regarding internal and external flow velocities, internal and external pressure drops, construction dimensions and the power consumed by the propeller coupled to the engine. The design included 16 hydraulic oil finned tubes, 13 coolant finned tubes, and 6 finned tubes in the intercooler. The internal, external, and fin diameters used were 47 mm, 48 mm, and 68 mm for the hydraulic oil and coolant module, and 55 mm, 56 mm, and 68 mm for the intercooler module, respectively. After the ideal conFiguration was selected, the prototype of this heat exchanger was developed and installed in a piece of equipment in order to test it. With the help of a thermographic camera for fluid temperature measurements and the use of the same calculation methodology of the project, an error of approximately 12.4%, 8.6% and 3.5% was verified between the project thermal power and the prototype tests in the equipment, for the hydraulic oil, coolant and intercooler module, respectively. Also, with the help of an anemometer, an error of approximately 4.2% in the external air flow generated by the engine propeller was verified between the design flow and the measurements of the prototype in the equipment.