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

Carolina Rekowsky Lopes

Fábio de Amorim Marcello

Rodrigo Argenta

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

Porto Alegre, Dezembro de 2011

RESUMO

No presente trabalho é desenvolvido um trocador de calor do tipo casco e tubos

responsável pelo resfriamento do mosto de cerveja onde, para fins experimentais, foi

utilizado água quente e água fria. Após comparação entre a temperatura de saída e a de

entrada do líquido quente, verificou-se uma pequena redução na sua temperatura, em

torno de 10°C, baixa eficiência (24,4%), devido à pequena quantidade de tubos

utilizados e à disposição dos mesmos, que reduziu a área de contato do dispositivo.

Além do trocador, foi criado um medidor de vazão de tanque aferido, de baixo custo,

fácil fabricação e utilização e com boa precisão. Para a correta medição da vazão, o

medidor foi calibrado por intermédio de medições experimentais em bancada, nas quais se

determinou a vazão obtida e os erros embutidos. Os resultados de vazão medidos, após

calibração do experimento, são comparados com os valores reais de referência medidos pelo

rotâmetro empregado na calibração, verificando-se baixos erros de medição para vazões

maiores que 5 L/min.

PALAVRAS-CHAVE: Pasteurizador, Cerveja, Eficiência, Medidor de vazão.

i

ABSTRACT

In this paper, we develop a heat exchanger responsible for cooling the beer wort. We

use experimentally hot and cold water. After comparing the input and output

temperature of the hot liquid, we detect a small reduction in its temperature, 10°C, low

efficiency (24,4%), due to the small number of tubes used and the arrangement of

it, which reduce the device contact area. In addition to the heat exchanger, we

create a flow meter calibrated tank, since it has a easy design. For the correct flow

measurement, the flow meter was calibrated by experimental measurements on a bench.

which it determined the through put obtained and the error. The flow results,

after experiment calibration, are compared with the actual values measured by

the reference flow meter used in the calibration, verifying low measurement errors for

flows greater than 5 L/min.

KEYWORDS: Pasteurizer, Beer, Efficiency, Flow meter.

ii

SUMÁRIO

RESUMO.............................................................................................................................. ii

ABSTRACT ........................................................................................................................ iii

SUMÁRIO ........................................................................................................................... iv

LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... v

LISTA DE TABELAS......................................................................................................... vi

LISTA DE SÍMBOLOS........................................................................................................vii

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 2

3. FUNDAMENTAÇÃO ..................................................................................................... 3

4. MATERIAIS E FABRICAÇÃO...................................................................................... 4

7. RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................................... 6

8. CONCLUSÕES ............................................................................................................... 8

REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 11

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Serpentina de resfriamento de mosto .................................................................. 2

Figura 2 – Trocador de calor de placas ................................................................................. 2

Figura 3 – Pasteurizador em processo de construção ........................................................... 4

iv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Calibração do Medidor de Vazão ...................................................................... 7

v

LISTA DE SÍMBOLOS

Calor específico [kJ/kgK]

Vazão mássica [kg/s]

Temperatura de entrada de fluido quente [K]

Temperatura de saída de fluido quente [K]

Temperatura de entrada de fluido frio [K]

Calor trocado [W]

Calor máximo que poderia ser trocado [W]

Eficiência (adimensional )

Densidade [ ]

Vazão volumétrica [ ]

vi

1. INTRODUÇÃO

A cerveja, com toda a certeza, é uma das bebidas mais apreciadas e antigas de

todo o mundo. É conhecida há mais de 6000 anos e perdura até hoje em nosso

cotidiano. Desde antes de Cristo seu currículo tornou-se extenso: em sua homenagem

havia uma deusa na suméria, passou pelo código de Hamurábi na Babilônia e até

mesmo houve um faraó-cervejeiro no Egito. Atualmente continua sendo muito

consumida por todos os segmentos da sociedade e já são conhecidos alguns de seus

benefícios e malefícios, [MORADO].

Esta bebida alcoólica é feita da fermentação de vegetais contendo amido,

especialmente cereais. O mais comum é a cevada. Seus ingredientes básicos são água,

cevada maltada e lúpulo. Também podem ser acrescentados outros ingredientes para

obter sabores variados. Obter um resultado satisfatório ou específico ao fazer uma

cerveja pode não ser uma tarefa simples. Seu sabor, cor e aroma dependem dos

ingredientes de que é feita e da sua forma de preparação. Em geral, um bom resultado

requer experiência.

Os três processos básicos de preparação da cerveja são a mostura, fervura e

fermentação. Na mostura são retirados os açúcares fermentáveis do malte, obtendo-se o

mosto. O mosto é fervido por uma ou duas horas, tempo em que é acrescido o lúpulo

conforme o sabor e aroma desejado. Depois o mosto é separado do lúpulo e resfriado.

Finalmente, a cerveja é fermentada, carbonatada e envasada. Todo o processo pode

durar várias semanas.

O rápido resfriamento do mosto após o cozimento faz parte do processo, devendo

sua temperatura ficar próxima a temperatura ambiente. A forma de realização desse

resfriamento será o tema principal deste texto.

A idéia central é apresentar um dispositivo capaz de resfriar até a temperatura

próxima a ambiente a maior quantidade de mosto possível com menor consumo

possível de líquido de arrefecimento. O dispositivo será um trocador de calor que, para a

finalidade da produção da cerveja, será chamado de pasteurizador.

Para avaliar o consumo no arrefecimento e a produção do mosto resfriado também

será exposto um dispositivo próprio de medição da vazão, em que é desejável obter uma

baixa incerteza. A base para alcançar esse objetivo é um tubo Venturi de onde serão

feitas tomadas de pressão.

Ao final deste texto o leitor terá conhecido uma idéia funcional e barata de resfriar

líquidos e sua forma de construção. Além disso, também terá disponível a informação

de como pode ser construído e utilizado um medidor de vazão para o pasteurizador, bem

como sua calibração, sendo que essa forma de medição também poderá ser utilizada

para outros fins.

1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O modo como cervejarias artesanais resfriam seu mosto depende da quantidade

que é produzida. Pode-se utilizar mais de um pasteurizador no processo de resfriamento.

Em geral a decisão sobre o tipo de pasteurizador depende do custo e resultado a ser

obtido.

Para cervejarias com produção pequena ou inconstante, o resfriamento do mosto

pode ser feito com serpentina, como a da figura abaixo.

Figura 1: Serpentina utilizada para resfriamento do mosto de cerveja.

Figura retirada do site www.weconsultoria.com.br.

Para produções maiores, um trocador de calor de placas pode ser usado. Neste

trocador há duas entradas e duas saídas, uma entrada e uma saída usadas pela mosto,

que entra quente e sai frio, e outra entrada e saída usadas pelo líquido refrigerante, que

sairá mais quente do que entrou. A figura abaixo ilustra esse tipo de resfriador, também

utilizado para o leite.

Figura 2: Trocador de calor de placas utilizado para alimentos.

Figura retirada do site de Engenharia e alimentos da UFGRS. 2

Em uma microcervejaria da zona sul de Porto Alegre, por exemplo, são utilizados

dois trocadores de calor de placas: um refrigerado com água a temperatura ambiente

para baixar a temperatura do mosto em torno de 40°C e outro refrigerado com água a

4°C. Neste último poderia ser usada uma solução de água e etanol a -7°C para um maior

resfriamento, em torno de 20°C. O resultado obtido para este tipo de trocador é um

resfriamento em torno de 75°C, ou seja, o mosto entra a 100°C e sai a 25°C.

Uma opção a ser utilizada para resfriamento de líquidos é o trocador do tipo casco

e tubos. Neste tipo de trocador, o líquido refrigerante passa por dentro do casco,

resfriando o líquido quente, ou mosto, nos tubos, que também passam por dentro do

casco. Este foi o trocador escolhido neste trabalho, por causa do seu baixo custo e

facilidade de construção.

3. FUNDAMENTAÇÃO

Para verificar o desempenho do pasteurizador utilizado, [INCROPERA], a sua

eficiência é calculada com

onde é o calor trocado no processo e é o calor máximo que poderia ser

trocado.

O calor trocado é

(2)

(3)

é a menor taxa de capacidade calorífica dos fluidos quente e frio, função da

vazão mássica multiplicada pelo calor específico. No caso do trocador em questão,

como varia pouco e a vazão mássica do líquido quente é bem menor,

(4)

Outro parâmetro importante, que é relacionado com a produtividade, é a vazão do

líquido que pode ser resfriado.

A medida da vazão de um escoamento permanente [SCHNEIDER, 2011] pode ser

realizada facilmente com a utilização de um contador de tempo (cronômetro) e um

reservatório. É medida a vazão volumétrica, pois mede-se a diferença no nível do

reservatório após decorrido um certo tempo. Basta que seja dividido o volume pela

unidade de tempo e tem-se a vazão. Para obter a vazão mássica utilizada nas equações

do calor acima, utiliza-se

onde é a densidade, em , e é a vazão volumétrica, em .

3

4. MATERIAIS E FABRICAÇÃO

O presente trabalho foi desenvolvido em duas etapas: o pasteurizador e seu

medidor de vazão. Os materiais utilizados foram facilmente encontrados em ferragens e

supermercado, sendo assim, o experimento poderia ser repetido facilmente.

4.1. Pasteurizador

O pasteurizador construído é do tipo casco e tubo. O fluido refrigerante (água) irá

passar pelo casco e trocar calor com o líquido no interior dos tubos internos, onde

passaria o mosto. Para uma melhor troca de calor foram usados tubos de alumínio, que

tem alta condutividade térmica. Também influencia na troca de calor a espessura destes

tubos.

O casco, parte externa do equipamento, é feita de cano PVC, com diâmetro

externo de e diâmetro interno de , comprimento de , duas saídas

para água fria distantes das pontas (em média) e oito saídas para água quente do

mosto em cada ponta, conforme a figura abaixo.

Figura 3: Pausteurizador para cerveja em construção.

Os tubos para passagem do líquido quente são feitos de alumínio e medem .

Seu diâmetro externo é de e interno de , ou seja, a espessura é de

separando os líquidos quente e frio. Ao final do comprimento do casco foi

colocada uma barreira de PVC com oito furos para os tubos saírem de forma que o

líquido quente não se misture com o frio. Para ajudar a promover turbulência da água

fria foram colocados arames enrolados nos tubos no lado de entrada do refrigerante.

Não foram utilizadas aletas internas no casco (chicanas).

4

Um acoplamento foi colocado na ponta do casco para que houvesse apenas uma

saída de água quente. Esta saída é adaptável à bancada disponível do laboratório.

4.2. Medidor de Vazão

Para o medidor de vazão foram utilizados canos hidráulicos, válvulas, balde

graduado e cronômetro. O encanamento tem três saídas: uma conectada ao

pasteurizador, outra conectada à fonte de líquido (neste caso, a bancada do laboratório)

e outra que permitirá a saída do líquido para o reservatório, neste caso o balde graduado.

O cano principal sai do pasteurizador e é dividido em dois. O caminho do

escoamento é determinado pela abertura de duas válvulas, localizados após a divisão do

cano. Quando o escoamento tomar seu curso normal, a válvula que leva ao reservatório

aferido estará fechada. Quando deseja-se medir a vazão, somente esta válvula estará

aberta.

5

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Foram realizados cálculos teóricos a fim de comparar o resultado obtido na

bancada com a teoria. Teste feito com de água fria e de água

quente. Ou seja, são de entrada de água fria e de entrada

de água quente.

A água quente, com temperatura de 48,856°C (322,006K) de entrada, saiu com a

temperatura de 43,219°C (316,369K). A água fria, que entrou a 25,733°C e saiu a

29,715°C.

,

Levando em consideração as equações para cálculo do calor trocado, calor

específico e densidade da água usada para simular a passagem do mosto pelo

pasteurizador, foram calculados o calor trocado, calor máximo que poderia ser trocado

eficiência do equipamento.

Utilizando a equação (2), chega-se ao resultado de que a troca de calor ocorrida

entre o líquido refrigerante e o líquido a ser resfriado é:

O valor máximo que poderia ser atingido, utilizando a equação (3) e (4)

Deste modo, conclui-se que, pela equação, (1) a efetividade é

O resultado de uma efetividade baixa foi atribuído ao baixo número de tubos

internos do pasteurizador, ocasionando menos superfície de troca entre o líquido quente

e frio, e também à ausência de aletas (chicanas), que além de promover turbulência

também ajudariam a guiar a passagem de líquido frio pelo casco. Um melhor resultado

seria obtido ao utilizar estes elementos no pasteurizador.

Sobre o tanque aferido utilizado para fazer as medições, ao fazer a calibração com

o medidor de referência do laboratório, foram encontradas diferenças

proporcionalmente pequenas nas medições para vazões mais elevadas e diferenças

proporcionalmente maiores para vazões pequenas, conforma a tabela abaixo.

6

Medidor de

Referência

Vazão (l/min)

Tanque Aferido

Vazão (l/min) Erro (%)

1,5 1,1 26,67

2,5 2,2 12,00

5,0 4,9 2,00

7,5 7,4 1,33

10,0 9,8 2,00

Tabela 1 – Calibração do Medidor de Vazão

O gráfico a seguir ilustra a proximidade entre as medições para maiores vazões e

um maior distanciamento para medições com baixa vazão.

Gráfico 1: Diferença de resultados entre os dois medidores de vazão

O gráfico seguinte evidencia como os erros decrescem com o aumento da vazão.

Gráfico 2: Relação entre o erro na medição e a vazão

A maioria dos medidores apresenta maiores incertezas quando utilizados em

baixas vazões, portanto este resultado era esperado.

Utilizando o software “Curve Expert”, é obtido um polinômio que relaciona de

forma aproximada a vazão medida com a vazão de referência.

Neste polinômio, representa a vazão medida e representa a vazão de

referência.

7

0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5

Medidor de Referência Vazão (l/min)

Tanque Aferido Vazão (l/min)

0

10

20

30

0 5 10 15

Err

o a

trib

uíd

o à

m

ediç

ão (

%)

Vazão de Referência (L/min)

Vazão X Erro

6. CONCLUSÕES

Através dos resultados expostos para o pasteurizador, é possível concluir que

seriam necessárias modificações construtivas, como colocação de chicanas ou aumento

do número de tubos, para utilizá-lo para o processo de fabricação da cerveja. A

efetividade calculada do pasteurizador construído é 24,4%. Tais modificações poderiam

ser obtidas facilmente e trariam resultados mais interessantes para sua finalidade. Desta

forma é confirmada a necessidade de mais área de troca de calor e aletas, elementos

comumente expostos na bibliografia.

O medidor de vazão acoplado ao pasteurizador se comportou conforme a

expectativa, com erros menores que 2% em vazões acima de 5L/min, não necessitando

de ajustes para sua utilização.

8

REFERÊNCIAS

[INCROPERA] INCROPERA, Frank, Transferência de Calor e de Massa, 6ª ed., LTC,

2007.

[SCHNEIDER] SCHNEIDER,Paulo, Medição de Velocidades e Vazão de Fluidos,

2011

[MORADO] Morado , Ronaldo - Cerveja e Vinho - dos Primórdios à Atualidade,

revista BEERLIFE