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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR PARA
RESFRIAMENTO DE MOSTO DE CERVEJA
por
Jéferson Luís Both
Lucas de Mesquita Vargas
Matheus Daniel da Silveira
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, dezembro de 2011
ii
RESUMO Este trabalho apresenta a construção de um trocador de calor para realizar o processo de
pasteurização para uma cervejaria artesanal. A função desse trocador é resfriar ao máximo uma corrente quente a aproximadamente 70ºC utilizando somente água a temperatura ambiente como líquido de arrefecimento. Uma análise detalhada de todos os passos da criação desse trocador é apresentada, desde a definição do projeto, passando pela escolha de materiais e chegando enfim na concepção do produto. Como resultados observamos uma considerável redução da temperatura da corrente quente e concluimos que nosso projeto cumpre com o objetivo ao qual foi planejado. PALAVRAS-CHAVES: Pasteurização, Cerveja, Trocador de calor
iii
ABSTRACT This paper presents the construction of a heat exchanger to make the process
of pasteurization for a brewery. The function of this exchanger is to cool to a warm up to about 70 °C using only water at room temperature as the coolant. A detailed analysis of all steps in the creation of this exchanger, from project definition, through the material’s choice and finally arriving in product design. The results show a considerable reduction of the tempera-ture of the warm and conclude that our project meets the goal of which was planned. KEY-WORDS: Pasteurization, Brewery, Heat exchanger
iv
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Condutibilidade térmica de diferetes materiais encontrados na natureza Figura 2. Localização do trocador no sistema e o conjunto de variávie envolvido Figura 3. Modelagem do modelo do trocador de calor definido pelo grupo Figura 4. Trocador de calor montado e vedado, pronto para a realização dos testes Figura 5. Trocador de calor instalado na bancada, pronto para a realização dos testes Figura 6. Trocador de calor em curso de operação Figura 7. Resultados de temperatura para a vazão de 5,5 litros/minuto para água fria e 3.6 litros/minuto para água quente. Figura 8. Resultados de temperatura para a vazão de 7,0 litros/minuto para água fria e 3.6 litros/minuto para água quente.
v
LISTA DE TABELAS Tabela 1. Resultados encotrados de temperatura Tabela 2. Resultados de vazão Tabela 3. Resultados para o cálculo da média log das diferenças de temperatura
vi
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área do tubo [m2 ] cp,a Calor específico da água [J/(kg.K)] cp,m Calor específico do mosto [J/(kg.K)] ma Vazão mássica da água [kg/h] mm Vazão mássica do mosto [kg/h] qa Taxa de troca de calor relizada pela água [W] qm Taxa de troca de calor relizada pelo mosto [W] q Taxa de troca de calor entre as superfícies [W] Ta,e Temperatura da água de arrefecimento na entrada do pasteurtizador [ºC] Ta,s Temperatura da água de arrefecimento na saída do pasteurizador [ºC] Tm,e Temperatura do mosto na entrada do pasteurizador [ºC] Tm,s Temperatura do mosto na saída do pasteurizador [ºC] U Coeficiente global de transferência da calor [W/m2.K] ε Eficiência do trocador de calor [%]
vii
SUMÁRIO
RESUMO ........................................................................................................................................ ii ABSTRACT ................................................................................................................................... iii LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................... iv
LISTA DE TABELAS .................................................................................................................... v
LISTA DE SÍMBOLOS ................................................................................................................. vi SUMÁRIO .................................................................................................................................... vii 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................... 1
2.1 Operações Unitárias de Transferência de Calor ..................................................................... 1
2.2 Tipos de Trocadores de Calor ................................................................................................ 1
2.3 Materiais para os trocadores de calor ..................................................................................... 2
2.4 Fatores que influenciam na troca de calor ............................................................................. 3
3. FUNDAMENTAÇÃO ................................................................................................................ 3
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ................................................................................................. 4
5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO ......................................................................................... 8
6. RESULTADOS ........................................................................................................................... 9
7. CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 12
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 12
APÊNDICE ................................................................................................................................... 13
1
1. INTRODUÇÃO A cerveja é uma paixão do brasileiro. Mas nem muitos sabem que ela passa por um
complexo processo de fabricação até chegar nas garrafas que compramos no supermercado. Esse processo inclui várias etapas, desde a colheita da cevada até a pasteurização, processo final e foco do trabalho em questão. Neste etapa um líquido de cozimento, chamado de mosto (resultado do cozimento e filtragem dos cereais que dão origem a cerveja), sofre um tratamento térmico através de sua passagem por um trocador de calor. A pasteurização é um método pelo qual os microorganismos presentes na cerveja são inativados através do calor e garante maior estabilidade ao produto. Essa etapa é realizada basicamente elevando-se a temperatura da cerveja a aproximadamente 75ºC e a mantendo assim por alguns segundos (apesar de ser difícil de afirmar que toda a cerveja alcance realmente essa temperatura), antes de resfriá-la.
No intuito de criar uma pequena cervejaria artesanal (chamada LabBeer), o laboratório LETA da UFRGS precisa de um trocador de calor eficiente a fim de realizar essa importante etapa da fabricação da cerveja. Com isso, como Trabalho Final da disciplina de Medições Térmicas ministrado no oitavo semestre do curso de Emngenharia Mecânica da UFRGS, foi proposta a criação de um trocador de calor que opere nas condições impostas e que terá a função de provocar um rápido arrefecimento da corrente de mosto (água quente) utilizando água a temperatura ambiente. Além disso, o pasteurizador deve vir acompanhado da instrumentação necessária para comporvar os critérios de desempenho, especificados na sequência desse trabalho.
Assim, o objetivo maior do seguinte trabalho é reduzir ao máximo a temperatura do mosto, tentando aproximá-la a temperatura ambiente. Além disso, os outros critérios de avaliação são a obtemção da maior vazão possível do mosto pasteurizado (corrente quente) e o menor consumo possível de água de arrefecimento (corrente fria).
Na sequência desse trabalhos será apresentada todo o desenvolvimento desse trocador de calor, desde uma rápida revisão bibliográfica do assunto até a efetiva realização do projeto.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Um trocador de calor é um equipamento usado para realizar a troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida [INCROPERA, F. P. et al., 2008].
2.1 Operações Unitárias de Transferência de Calor Existem três formas unitárias de ocorrência da transferência de calor: condução, convecção
ou radiação. A condução é basicamente o processo em que a energia térmica passa de um corpo para o outro através de partículas do meio que os separa. A convecção é o processo de troca da calor resultante da movimentação de um fluido, conforme foi definido por Lienhard IV e Lienhard V, 2006. A radiação, por sua vez, é o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas. Conforme foi descrito por Lienhard IV e Lienhard V, 2006, a radiação pode muitas vezes ser desprezada em relação a condução e a convecção.
2.2 Tipos de Trocadores de Calor Segunda INCROPERA, F. P. et al., 2008, os trocadores de calor são clasificados
tipicamente em função da configuração do escoamento e do tipo de construção. Assim, ele pode ser classificado como:
• Trocador de tubos concêntrcios (ou bitubular): os fluidos quente e frio se movem ne mesmo sentido (paralelo) ou no sentido contrário (contrcorrente) em dois tubos concêntricos.
2
• Trocador de calor em escoamento cruzado: um fluido escoa perpendicularmente ao outro. Geralmente o fluido quente encontra-se dentro de tubos e o fludo frio está em escoamento cruzado ao mesmo. • Trocador de calor casco e tubo: possui uma série de tubos dentro de um casco. O tubo geralemente possui chicanas a fim de orientar o escoamento, causando turbulência ao mesmo e assim aumentando o coeficiente de transferência de calor. • Trocador de calor compacto: densa matriz de tubos aletados ou placas e são utilizados quando se precisa atingit superfícies de transferência de calor consideradas muito grande.
O melhor tipo de trocador a utilizar vai depender da aplicação e da disponibilidade de recursos do fabricante. Além disso, muitas vezes um design combinado dessas formas “standards” pode ser envisajado, o que pode muitas vezes causar a perda da capacidade de transferência de calor, mas pode ser mais adaptado ao caso.
2.3 Materiais para os trocadores de calor Sabemos que em um trocador de calor haverá a troca de energia entre dois fluidos, através
de uma parede. Quando falamos nos materiais usados em um trocador de calor, portanto, nos referimos basicamente ao material da parede sólida utilizada para separar esses dois fluidos e que será o principal responsável pela transferência de calor entre eles.
A caracterítica mais importante desse material que forma a parede sólida é a sua condutibilidade térmica. O cobre, segundo Lienhard IV e Lienhard V, é a substância comum com a maior conditividade térmica a termperatura ambiente. Uma grande gama de materiais encontrados na natureza e suas respectivas condutibilidades térmicas pode ser visto na Figura 1.
Figura 1. Condutibilidade térmica de diferetes materiais encontrados na natureza (Fonte: LIENHARD IV e LIENHARD V. A Heat Transfer Textbook. 3rd edition)
3
Como podemos observar, a gama de condutividades térmcias é enorme. Para o material de um trocador de calor, a maior condutibilidade térmica possível é envisajada.
2.4 Fatores que influenciam na troca de calor Existem vários fatores que entram em consideração na hora de determinaramos a torca de
calor total em um trocador de calor. Os autores citam diversos elementos, mas eles praticamente concordam no uso de alguns. Assim, os mais importantes são:
• Temperaturas terminais: diferença de temperatura entre fluido de trabalho e fluido refrigerante; • Área de contato (geometria do trocador): área que separa os dois fluidos acima citados. Quanto maior, mais eficiente a troca de calor (ex: tubos aletados, que aumentam a área de troca de calor e, portanto, a eficiência); • Material do trocador: geralmente deve possuir um coeficiente de condutibilidade térmica elevado, como foi explicado na seção anterior. Sendo assim, são amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas. • Velocidade do escoamento: quanto maior a velocidade de escoamento, maior a turbulência criada, e por conseguinte maior o coenficiente de troca de energia. • Fator de sujeira: deve ser evitado qualquer efeito de acúmulo ou incrutação. • Perda de carga dentro do trocador: quanto maior a perda de carga, menos eficiente será o nosso trocador de calor.
3. FUNDAMENTAÇÃO O dimensionamento de um trocador de calor é relativamente complexo e depende do tipo
de trocador de calor que temos. Exitem, porém, algumas variáveis que não mudam para os diferentes tipos de trocadores. Primeiramente, podemos definir a troca total de calor realizada pelo mostro e pela água pelas equações 1 e 2, respectivamente:
(1)
(2)
Além disso, sabemos pelo balanço de energia na superfícide sólida do trocador de calor
que as duas trocas de calor são iguais. Assim, temos a Equação 3: (3)
Pela literatura, sabemos que um trocador de calor é caracterizado pelo seu coeficiente
global de transferência da calor (U). Essa é uma etapa essencial e muito imprecisa na análise de qualquer trocador de calor. Esse coeficiente é definido em função da resistência térmica total à transferência de calor entre dois fluidos. Assim, ele leva em conta:
• As resistências condutivas e convectivas dos fluidos de trabalho. • As resistências de contato das paredes interna e externa da superfície sólida. • As áreas interna e extera na superfície sólida.
Esse coeficiente global de calor se relaciona com a troca de calor atravé de Equação 4. (4)
Onde a grandeza ∆Tml, chamada de média log das diferenças de temperatura, é dada pela
equação 5. (5)
4
As grandezas ∆T1 e ∆T2 são definidas segundo o fluxo que que teremos no noso trocador de calor. Se ele for um trocador para contracorrente, essas grandezas são dadas pelas equações 6 e 7.
(6) (7)
Se tivermos um trocador paralelo, as equações 6 e 7 são subtituídas pelas duas equações abaixo.
(8) (9)
Um outro parâmetro que pode ser analisado em um trocador de calor é a sua eficiência, que
nada mais é que a taxa de calor trocada em relação a taxa máxima de calor possível em um trocador, definida pela Equação 10.
(10)
Todas as equações utilizadas acima foram extraídas de INCROPERA, F. P. et al., 2008.
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
A Figura 2 mostra um esquema da localização do trocador de calor e as variáveis que
entram e saem do mesmo.
Figura 2. Localização do trocador no sistema e o conjunto de variávies envolvidas (Fonte: diretivas do trabalho disponibilizada na página http://143.54.70.55/medterm/index.html)
Podemos identificar na figura anterior as duas correntes: a corrente quente de mosto, que
deverá ser arrefecida (em vermelho) e a corrente fria de água de arrefecimento (em azul). No nosso experimento, o mosto consiste em uma corrente de água a temperatura de 75 ºC. A corrente de arrefecimento também será a água, tomada a temperatura e pressão ambiente. As duas correntes de água serão limitadas ao máximo de 10 l/min (litros por minuto).
Após uma ampla pesquisa buscando estabelecer o melhor modelo de trocador de calor e também analisando pontos como facilidade de fabricação, eficiência de troca de calor, tamanho, custo dos materiais, entre outros fatores, o grupo concluiu que o modelo apresentado no conjunto de Figura 3 abaixo seria o que atenderia a demanda requisitada.
Com a definição do modelo a ser seguido, a segunda etapa seria o projeto e esse foi totalmente desenvolvido através do software de modelagem 3D – Inventor 2010. Primeiramente,
5
foi feita uma pesquisa de produtos “standard” existentes no mercado, para que isso facilitasse a execução do projeto no segundo momento. Após isso, foi desenvolvido um esboço da solução em 3D de modo a facilitar o entendimento do que estava sendo proposto.
Figura 3. Modelagem computacional do trocador de calor envisajado pelo grupo (Fonte: elaboração própria)
Com o projeto executado, a próxima etapa foi a definição dos materiais a serem utilizados
pelo grupo. O cobre foi o escolhido para os tubos do trocador por aprensentar uma condutibilidade térmica muito superior as outras possibilidades cogitadas. Além disso, decidiu-se que a parte externa seria com o plástico PVC. Essa escolha deu-se pelo fato que o PVC é um material encontrado em abundância de formas no mercado e ser relativamente barato. Assim, seria possível fazer as reduções e sobras necessárias, adequando nosso trocador ao projeto mostrado acima.
A próxima etapa foi a compra de materiais. Se baseando no projeto realizado e na necessidades para a realização das medições, foi gerada a seguinte lista de materiais que pode ser encontrada no Apêndice I.
Em seguida a uma extensa pesquisa de preços, os materiais anteriormente listados foram obtidos de diversos fornecedores de materiais para refrigeração e também grandes lugares com materiais de construção na região de Porto Alegre.
Em relação a custos, a equipe gastou em torno de R$ 300,00 para a realização do projeto. Os 15 metros de tubo de cobre somaram R$ 107,00 e, portanto, a maior parte do projeto ficou por conta da parte externa, feita em PVC. Isso pode parecer curioso mas faz sentido pois o projeto real precisou de algumas adaptações ao original, o que acabou gerando uma grande quantidade de material inutilizado.
6
O processo de fabricação iniciou-se com a dobragem dos tubos de cobre no tamanho e orientação correspondente ao projeto, para isso foi utilizado um dobrador de tubos manual. Esse trabalho foi particularmente difícil, uma vez que o cobre não é um material fácil de ser manuseado e que precisávemos de muitas curvas em diferentes direções.
Em seguida foram feitos testes de inserção dos tubos de cobre dentro do tubo de PVC de 150 milímetros de diâmetro. Verificou-se a necessidade de realizar cortes para a saída dos tubos de água quente. Após a realização desses corte, foram acopladas as reduções tanto de 150 para 100 quanto de 100 para 50 e ainda a de 50 para 3/4". Com todas as reduções acopladas, foram então acoplados os canos, joelhos e o registro.
O sistema estava totalmente montado, e para que o mesmo funcionasse, seria necessário que este estivesse totalmente estanque (sem nenhum vazamento). Para que isso acontecesse, utilizamos a cola para cano de PVC e os DUREPOXI para reforçar e vedar as uniões. Depois da utilização dessas duas colas, deixamos o trocador secar a fim de que a vedação tivesse o efeito desejado. Isso nos obrigou a ter um palnejamento de quando fazer a montagem, pois os testes teriam que ser feito com a cola seca e, portanto, a vedação completa.
A Figura 4 mostra o conjunto completamente montado e vedado, pronto para a realização dos testes.
Figura 4. Trocador de calor montado e vedado, pronto para a realização dos testes (Fonte: foto tirada no laboratório)
Observamos as duas saídas de mosto pelo meio do tubo, vedadas com a utilização do
DUREPOXI. A água fria entra pela parte superior do trocador de calor e sai pela parte inferior. Para que houvesse um controle da vazão e que a água não simplesmente caísse devido aos efeitos da gravidade, foi colocado um registro na parte inferior. A Figura 5 a seguir mostra o trocador de calor instalado na bancada para a realização dos testes experimentais.
7
Figura 5. Trocador de calor instalado na bancada, pronto para a realização dos testes (Fonte: foto
tirada no laboratório)
Como podemos observar, o fluxo da água fria vai de cima para baixo enquanto o fluxo de água quente vaira de direção, uma vez que o tubo de cobre faz diversas curvas dentro do trocador de calor. Assim, definimos nosso trocador como sendo metade contacorrente e metade paralelo. Isso é uma aproximação feita pelo grupo a fim de que as fórmulas definidas para esses dois tipos de trocadores pudessem ser usadas no trabalho.
Realizada a construção do trocador, foram realizados testes no laboratório da disciplina de Medições Térmica no prédio da Engenharia Mecânica, na UFRGS. O aparelho de teste do laboratório já fornecia a leitura das vazões e também das temperaturas de entrada e saída da água fria e da água quente. Alem disso, estavam dispostas mangueiras de entrada e saída para serem acoplados ao trocador desenvolvido.
Conectadas todas as mangueiras, foi feita o preenchimento do trocador de calor, levando o mesmo a estar em regime estacionário. Com o sistema preenchido, foi aberta a válvula de segurança do trocador (fixada abaixo do tubo de PVC) e, simultaneamente foi aberta a válvula para fluxo de água fria e também foi aberta a válvula para fluxo de água quente. A Figura 6 mostra o trocador de calor operando no laboratório da disciplina.
8
Figura 6. Trocador de calor em curso de operação (Fonte: foto tirada no laboratório) 5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO
A incerteza de medição é o parâmetro associado ao resultado de uma medição, que
caracteriza a dispersão dos valores que foram determinados. Ela é importanta para sabermos a confiabildiade do resultado que estamos medindo. No nosso trabalho, foi feito a medição de duas grandezas: a medição de temperatura e a medição de vazão.
Em relação a temperatura, o aparelho ja forneceia os valores obtidos. Sabemos que a incerteza de medição ligada a um termopar é dado por:
ValorReal = ValorMedido ± 2,2ºC
Esse valor foi tirado de uma tabela de termopares, considerando ele como um tempopar padrão do tipo J ou K.
Um outro critério que deveria ser atendido é o da medição da vazão tanto para água quente quanto para água fria, e portando a medição da incerteza nesse caso também é muito importante.
Inicialmente o projeto iria contar com 2 medidores de pressão estática com duas tomadas de pressão, sendo uma em um diâmetro com maior dimensão e outra com menor. Com essa diferença de área seria possível o cálculo da diferença de pressão e, conseqüentemente, o da vazão volumétrica. Percebeu-se, entretanto, enorme dificuldade para executar tal dispositivo e também uma tendência a grandes erros de medição. Logo, optou-se por fazer com que a água que saísse do trocador de calor fosse depositada em um recipiente por um tempo de 60 segundos. Após esse tempo o recipiente seria pesado e assim verificado a massa de água presente no mesmo. Sabendo-se essa massa e o tempo envolvido é possível calcular a vazão volumétrica.
9
Esse processo foi realizado para a tubulação de água fria e também para a tubulação de água quente. Foram verificados que havia uma discrepância entre a medida verificada experimentalmente em relação ao medidor acoplado a bancada. Essa discrepância caracteriza a incerteza de medição que temos com esse sistema “arcaico”, mas que foi a melhor maneira que encontramos de realizar esse procedimento. Em relação a essa medição, temos, portando:
• Uma diferença de 1 litro por minuto para mais no medidor para água fria. • Uma diferença de 0.5 litros por minuto para mais no medidor para a água quente.
Assim, como as vazões medidas eram de 7 litros por minutopara a água fria e de 3,6 litros por minuto para a água quente, temos que a incerteza é dada por:
ValorReal = ValorMedido ± 0,145xValorMedido
Observamos que a incerteza de medição ligada a vazão é extremamente grande. Isso se deve ao fato de que esse sistema é muito “arcaico”, como foi dito anteriormente, e portanto nãoi apresenta nenhuma precisão. Esse foi, porém, a maneira mais prática de realizar essa medição depois da grande dificuldade que se teve usando o sistema projetado inicialmente.
6. RESULTADOS Nesse capítulo vamos, primeiramente, apresentar os resultados obtidos para depois fazer
uma comparação entre os valores teóricos obtidos e os valroes experimentais, calculando dados como a eficiência do nosso trocador de calor.
O sistema iniciou a operar e foram pré-setadas as vazões de 5 litros por minuto para água fria e 3.6 litros por minuto para água quente. Após determinado período de tempo, necessário para estabilização da temperatura, observou-se os resultados mostrados na Figura 7.
Figura 7. Resultados de temperatura para a vazão de 5,5 litros/minuto para água fria e 3.6 litros/minuto para água quente (Fonte: foto do software utilizado)
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Após isso, foram pré-setadas as vazões para 7 litros por minuto para água fria e 3.6 litros por minuto para água quente. Após uma certa espera para a estabilização da temperatura, observou-se os resultados de temperatura mostrados na Figura 8.
Figura 8. Resultados de temperatura para a vazão de 7,0 litros/minuto para água fria e 3.6 litros/minuto para água quente (Fonte: foto do software utilizado)
É possível observar através das Figura 7 e 8 que a refrigeração imposta à água quente está
entre 15 e 18 graus Celsius. Essa característica é um dos principais critérios exigidos para definir a capacidade desse trocador de calor.
Vamos agora fazer uma comparação entre os resultados teóricos e experimentais. Os valores experimentais obtidos estão resumidos na Tabela 1.
Tabela 1. Resultados encotrados de temperatura
Tm,e Tm,s Ta,e Ta,s 56,036 38,178 25,971 35,155
Além disso, sabemos que as vazões medidas valem:
Tabela 2. Resultados de vazão
Vazão de mosto Vazão de água fria
3,6 l/min = 0,00006 m3/h 7 l/min = 0,000117m3/h
Como sabemos as características da água (ρ=1000kg/m3 e cp=4,181 J/(kg.K)), podemos calcular a taxa de transferência de calor através da Equação 1 ou da Equação 2.
Assim, temos que:
qm = qa = q = 4,48 W
11
Vamos agora calcular os valores das variações de temperatura para um trocador paralelo e para um trocador contracorrente, usando as equações de 5 a 9. Os resultados dos cálculos são mostrados na Tabela 3.
Tabela 3. Resultados para o cálculo da média log das diferenças de temperatura
Delta T1 Delta T2 Delta Tm,l Trocador Paralelo
30,065 ºC 3,023 ºC 11,77 ºC Trocador Contracorrente
30,881 ºC 12,207 ºC 16,157 ºC Vamos agora passar para a parte teórica dos cálculos. Sabemos que, através da equação 4,
precisamos dos valores do coeficiente global de calor U e de área de troca de calor A. Pela literatura, observamos um valor de Umédio que equivale a :
Umédio = 900 W/m2.K
Além disso, sabemos que a área média é dada por:
Amédia = п.D.15 m2
Onde D=8,53mm. Assim:
Amédia = 0,000401763 m2
Fazendo a multiplicação entre eles, temos que:
Umédio . Amédia = 0,38167 W/K
Aplicando esse valor, podemos calcular a taxa de calor para os dois tipos de trocador. Para
o trocador paralelo, temos:
qparalela=4,493 W
e para o trocador contra corrente:
qcontracorrente=6,167 W
Como o nosso trocador é metade paralelo e metade contracorrente, criamos a hipótese de que:
q = ½. qparalela + ½. qcontracorrente
q = 5,33 W
A diferença entre o valor teórico e o experimental deve-se especialmente a grande
quantidade de perda de carga que temos nesse trocador, devido aos joelhos e reduções de diâmetro. A diferença obtida, de aproximadamente 19% pode ser considerada satisfatória.
Enfim, vamos calcular a eficiência global de nosso trocador de calor através da Equação 10. Fazendo a aplicação numérica, obtemos:
ε = 0,594 = 59,4%
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7. CONCLUSÕES
O objetivo principal desse trabalho era a construção de um trocador de calor para ser implantada em uma cervejaria artesanal de um laboratório da UFRGS. De acordo com os resultados apresentados, pode-se observar que o objetivo foi alcançado. O trocador de calor construído consegue reduzir consideravelmente a temperatura do mosto utilizando somente água a temperatura ambiente. Observamos que obtemos uma eficiência global de ε = 59,4% para o nosso trocador, com uma troca de calor efetiva de q = 5,33 W.
Destacamos aqui as inúmeras dificuldades encontradas ao longo do trabalho. A principal delas foi saber improvisar soluções diante de medidas adotadas que se mostraram ineficientes, como no aparelho criado para medir vazão. Foi muito interessante lidar com essas dificuldades, pois será isso que iremos encontrar em um futuro ambiente de trabalho.
Como sugestão para a continuação desse trabalho, eu diria a implantação do trocador de calor na cervejaria e a operação da mesma, a fim de sabermos de ele realmente cumpre a sua função de pasteurizador do mosto, que vai transformar o chop em cerveja.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• INCROPERA, F. P. et al. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York: John Wiley & Sons, 2007.
• KREITH. F. Mechanical Engineer Handbook, CRC Press, 1999 • LIENHARD IV e LIENHARD V. A Heat Transfer Textbook. 3rd edition. Phlogis-
ton Press, 2006. • SCHNEIDER, P. S. Incertezas de Medição e Ajuste de Dados. Universidade
Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, p. 24. 2007. • http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/prcerea/cerveja/pasteu.htm • http://www.lepten.ufsc.br/disciplinas/emc5404/introducao.pdf • http://www.embraco.com.br/portugue/produtos/informativos_pdf/05020_port.pdf • http://ruyalexandre.zzl.org/arquivos/eng6trocadores.pdf
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APÊNDICE
Lista de materiais utilizados na construção do trocador de calor • 15 (quinze) metros de tubo de cobre para conduzir a água quente e trocar calor com a
água fria. • Um tubo de PVC com diâmetro de 150 milímetros e comprimento de 350milímetros • Duas reduções de 150 milímetros para 100 milímetros. • Duas reduções de 100 milímetros para 50 milímetros. • Duas reduções de 50 milímetros para 3/4 de polegada. • Duas reduções de 3/4 de polegada para 1/2 de polegada com rosca interna. • Um registro para cano de 3/4 de polegada. • Três canos de 3/4 de polegada com 100 milímetros de comprimento. • Dois “joelhos” de 3/4 de polegada • Dois nípel roscáveis com rosca de 1/2 polegada. • Dois pacotes de DUREPOXI • Uma cola para cano de PVC
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Folha de avaliação do concurso (deve preenchida e constar do relatório) Nome dos alunos Jéferson Luís Both Lucas Mesquita de Vargas Matheus Daniel da Silveira Identificação do grupo (letra) __________ Dados do ensaio Data ______________ Temperatura ambiente Tamb _______ ºC Trocador de calor ( ) concorrente (paralelo), ( ) contracorrente ou ( ) outro (defina:_________________________________________________)
