Projetos de sistemas fluidotérmicos - Tradução da 4 edição edição norte-americana

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

Fluido.indb 1

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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

Fluido.indb 7

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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

08/04/2016 11:22:10

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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xii

WĆŒĹ˝ĹŠÄžĆšĹ˝Ć? ĚĞ Ć?Ĺ?Ć?ƚĞžĂĆ? ŇƾĹ?ÄšĹ˝ĆšÄ ĆŒĹľĹ?Ä?Ĺ˝Ć?

VCNJCFC G GO RTQHWPFKFCFG 'URGEKſECà �GU FQU FWVQU G VWDQU UºQ FKUEWVKFCU 5ºQ CRTGUGPVCFCU RGà CU EKTEWNCTGU SWCFTCFCU TGVCPIWNCTGU G CPWNCTGU 1 ƀWZQ NCOKPCT G VWTDWNGPVQ GO ECFC uma dessas peças Ê 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 Capítulo 7 fornece uma introdução aos fundamentos de transferência de calor, apresentando as propriedades de transferência de calor e tabelas de transferência de calor no apêndice. Condução e convecção estão descritas, mas radiação não. Este capítulo pretende introduzir os trocadores de calor encontrados no capítulo seguinte. O Capítulo 7 demonstra como o problema de transferência de calor geral, incluindo condução e convecção, pode ser modelado com êxito.

O Capítulo 8 Ê sobre trocadores de calor de tubos duplos. O mÊtodo DTML (diferença de temperatura mÊdia logarítmica) Ê derivado e usado para analisar os trocadores existentes. O mÊtodo efetividade-NUT tambÊm Ê derivado e usado para anålise. Consideraçþes do projeto, como o dimensionamento de um trocador de calor de tubo duplo, estão descritas e um procedimento Ê desenvolvido. O Capítulo 9 continua com trocadores de calor de placa e tubo. Novamente, os mÊtodos DTML e efetividade-NUT são usados para analisar trocadores de calor existentes. TambÊm incluído aqui estão os mÊtodos usados para aumentar a quantidade de calor que pode ser transferida em tais trocadores. A temperatura de saída da ågua ideal para um custo mínimo tambÊm Ê 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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PrefĂĄcio

xiii

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 TGNCVÎTKQU FQ RTQLGVQ UºQ HGKVQU FG FWCU HQTOCU RQT GUETKVQ G QTCN 1 TGNCVÎTKQ GUETKVQ deve detalhar a solução em todas as fases do projeto, conforme destacado na descrição origiPCN QW OQFKſECFQ PCU UGUU�GU FG FKUEWUUºQ EQO Q KPUVTWVQT 1 TGNCVÎTKQ 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 referências, padrþes governamentais e manuais de produtos, não Ê apenas extremamente difícil converter todos os valores para SI, como tambÊm invade a propriedade intelectual da fonte. Por isto, alguns dos dados em ſIWTCU VCDGNCU G TGHGTÄPEKCU RGTOCPGEGO GO WPKFCFGU (25 2CTC NGKVQTGU PºQ HCOKNKCTK\CFQU EQO C TGNCà ºQ GPVTG QU UKUVGOCU (25 G 5+ XGLC ő%QPXGTU�GUŒ PQ ſPCN 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 cålculos. Para obter quantidades padrþes e dados de manufatura em unidades SI, os leitores podem consultar as agências governamentais apropriadas ou as autoridades do seu país.

Agradecimentos Agradeço a muitas pessoas, alunos e companheiros da faculdade, que forneceram sugestþes valiosas sobre como melhorar o texto. AlÊm disso, devo muito aos seguintes revisores, SWG NGTCO VQFQ Q OCPWUETKVQ G ſ\GTCO UWIGUV�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 Nœ EQO UWIGUV�GU úteis e orientação quando necessårias. Estendo meu agradecimento a outras pessoas, sem citar nomes, da Cengage Learning, que me ofereceram suporte para este projeto e que trabaNJCTCO RCTC UWC EQPENWUºQ �U RGUUQCU SWG ſ\GTCO OWKVCU UWIGUV�GU ÕVGKU 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.

TambÊm estendo minha gratidão à Universidade de Memphis por fornecer ajuda com vårias tarefas ligadas a este projeto. Finalmente, agradeço o encorajamento e apoio de minha amada esposa, Maria, que fez muitos sacrifícios 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, Ê preciso conhecer as propriedades físicas das ervilhas, como: faixa de diâmetro, peso de um volume de ervilhas e sua densidade, 5

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9

6 4

2

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

7

10

6. 25 m 7. 15 m 8. 15 m 9. 7,5 m 10. separador

„ &Ĺ?Ĺ?ĆľĆŒÄ‚ Ď­Í˜Ď­ŕ´ŠEsboço de uma tubulação de transporte.

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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 esDQà Q UG GPEQPVTC PC (KIWTC C UGIWKT 1 ƀWKFQ KPVGTPQ EQPJGEKFQ EQOQ refrigerante, passa por um ciclo à medida que se move pelo sistema: ele Ê comprimido pelo compressor e sai como um vapor superaquecido, que entra no trocador de calor (igual a um radiador de carro); então um ventilador move o ar atmosfÊrico sobre a serpentina ou sobre os tubos do condensador e o calor Ê transferido do refrigerante que se encontra dentro dos tubos para o ar fora deles. Durante esse processo, o refrigerante se condensa. Em seguida, o líquido refrigerante segue para um tanque (não mostrado), onde, por gravidade, ele Ê separado de qualquer vapor restante. O líquido refrigerante então Ê retirado da parte inferior desse tanque e segue por um tubo capilar (um tubo longo de diâmetro bastante reduzido), no qual experimenta UKIPKſECVKXC RGTFC FG RTGUUºQ G RTQRQTEKQPCN SWGFC FG VGORGTCVWTC 1 TGHTKIGTCPte líquido frio Ê então 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 UWſEKGPVG para se vaporizar. Depois de passar pelo evaporador, o refrigerante segue para um tanque acumulador (não mostrado), no qual o líquido e o vapor são separados por gravidade. O vapor, então, Ê 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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T RADUÇÃO

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EDIÇÃO NORTE - AMERICANA

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PROJETOS DE SISTEMAS FLUIDOTÉRMICOS

William S. Janna

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William S. Janna

OUTRAS OBRAS MECÂNICA DOS FLUIDOS Tradução da 4a edição norte-americana Merle C. Potter, David C. Wiggert e Bassem H. Ramadan

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Sistemas Fluidotermicos_final.indd 1

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