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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
MINI-TORRE DE RESFRIAMENTO COM ÊNFASE A UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO SERPENTINA
por
André de Ávila BorgesGuilherme Saliba Minuzzo
Roberta PeriniWelder Boeno de Souza
Trabalho Final da Disciplina de Medições TérmicasProfessor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, junho de 2009
ii
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo e observações realizadas de uma mini-torre de resfriamento que possui em seu interior um tubo de cobre (serpentina). É construída uma bancada experimental que une os processos que ocorrem em uma torre de resfriamento e em um trocador de calor. No interior da mini-torre é colocada a serpentina, por onde passa o fluido a ser refrigerado (água quente). Um líquido refrigerante (água fria) é aspergido sobre esta e também há passagem de ar atmosférico succionado por dois ventiladores no topo da torre de resfriamento. Pretende-se, principalmente, que a água quente resfrie, e se quer verificar o que acontece com os demais parâmetros (água fria e ar). As temperaturas dos três fluidos envolvidos são medidas tanto na entrada da torre quanto na saída, e ainda é aferida a vazão do fluido que passa na serpentina. Como avaliação dos resultados, tem-se que, quanto maior a vazão do fluido refrigerado, menor é a diminuição da sua temperatura. O ar sai da torre um pouco mais quente e a água fria também aquece. Estes dois últimos resultados colocam em dúvida a eficiência do borrifador da água fria e dos ventiladores. Comprova-se pelos testes que a água é melhor trocador de calor que o ar no momento em que se obtém uma maior diminuição da temperatura da água quente quando apenas a água fria está atuando sobre o tubo de calor em comparação a apenas o ar atuando sobre este. Nada foi possível afirmar sobre a troca de calor na mini-torre, pois não se tem completamente definidos os fenômenos que ali acontecem.
iii
ABSTRACT
Mini-Cooling Tower with Emphasis to a Coil Heat Exchanger
This work shows the study and observations about a mini-cooling tower which have a copper tube in its inner (coil). It’s built a test stand that joins the occurring processes in a cooling tower and in a heat exchanger. Inside the mini-cooling tower is placed the coil where flows the fluid to be refrigerate (warm water). A refrigerant fluid (cold water) is sprinkled on it and on top of the cooling tower happens the atmospheric air passage that’s sucked by two coolers. The main goal is becoming the warm water colder, and checking what happens with the others parameters (cold water and air). The three involved fluid temperatures are measured as in as out of the tower and it’s still measured the fluid flow rate that passes in the coil. It’s noticed about the results that how much larger the refrigerated fluid flow rate is, the temperature diminution is smaller. The air goes out the tower a bit warmer and the cold water warms too. These last two results questioning the cold water sprinkle and coolers efficiency. It’s verified by the tests that the water is better heat exchanger than the air at the moment that’s obtained a higher warm water temperature diminution when just the cold water is operating on the heat tube in comparison only the air action on it. It’s possible to conclude nothing about the heat exchange in the mini-tower, because the phenomena that occurred there were not completely defined.
iv
LISTA DE SÍMBOLOS
ε Eficiência do Equipamentot∆ Diferença de Temperatura [ºC]
1T Temperatura da água quente na entrada da torre [ºC]
2T Temperatura da água quente na saída da torre [ºC]
xT Temperatura do ar ou temperatura da água fria na entrada da torre [ºC]
v
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 1
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................................ 2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................................................... 3
MODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDO .............................................................................. 6
VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS .................................................................................................. 11
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................... 12
CONCLUSÕES ...................................................................................................................................... 17
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................. 18
APÊNDICE ................................................................................................................................... 21
1
INTRODUÇÃO
Torres de resfriamento e trocadores de calor são equipamentos muito importantes na área de energia térmica e fenômenos de transporte. Resfriar a água, umidificar o ar, dissipar melhor o calor são processos presentes no cotidiano das pessoas, mas que ganham fundamental importância em empresas e fábricas e por isso, devem ser bem entendidos e esclarecidos na formação acadêmica das pessoas da área.
Este trabalho abordará o estudo e observação sobre o que acontece em uma torre de resfriamento e em um trocador de calor, caracterizando-se pela montagem de uma bancada experimental e medições das temperaturas dos fluidos de trabalho.
A principal finalidade deste trabalho é tentar representar de forma simples e reduzida, uma torre de resfriamento com trocador de calor. Quer-se mostrar que um fenômeno importante e muito utilizado no dia-dia pode ser visualizado e compreendido, de maneira prática, com um experimento “caseiro”, que não envolva muita tecnologia e instrumentos/equipamentos caros.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Segundo Moretti et al. (2006) a teoria básica de operação de torres de resfriamento foi primeiro proposto por Walker et al. (1923), que desenvolveram as equações básicas para a transferência total de massa e energia e consideram cada processo separadamente. Merkel (1925) combina os coeficientes de transferência de calor sensível e massa num único coeficiente global, baseado no potencial entálpico como força motora. A teoria proposta por Merkel requer algumas hipóteses simplificadoras, que têm sido universalmente adotadas para o cálculo do desempenho de uma torre de arrefecimento.
Na literatura sobre torres de resfriamento são comumente encontrados dois parâmetros para a avaliação do desempenho de uma torre de resfriamento: efetividade e eficiência. De acordo com Khan e Zubair (2001), a efetividade de uma torre é definida como a razão da energia que efetivamente é trocada e o máximo valor possível de energia a ser transferida. Segundo Fisenko e Petruchik (2004), a eficiência pode ser definida como a razão entre a diferença de temperatura de entrada e saída de água na torre, e a diferença entre as temperaturas de entrada e de bulbo úmido local.
Kim e Smith (2001) apresentam estudo para o projeto de um sistema de água resfriada. Um modelo foi desenvolvido para o desempenho de uma torre de resfriamento permitindo as interações entre o desempenho da torre de resfriamento e o projeto de redes de água a explorar sistematicamente. Ele mostra que a efetividade da torre aumenta quando a temperatura da água na entrada da torre é alta.
Zweifel et al.(1995) apresentam alguns dos resultados do desenvolvimento e aplicação de equipamentos, relacionados com a simulação de sistemas de aquecimento, ventilação e calefação de ambientes de edifícios. Dentre eles, um modelo para uma torre de resfriamento de circuito fechado. O modelo é expresso em função dos termos do projeto como a carga de calor da torre, vazão mássica de água, etc. Depois de fixar um procedimento com as condições nominais, o modelo calcula a temperatura de saída da água para diferentes condições de operação.
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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 TORRE DE RESFRIAMENTO
As torres de resfriamento são as mais empregadas nos sistemas de refrigeração de grande porte, visto que seu melhor desempenho está nesta área de aplicação. (Stoecker 1985). Num sistema de refrigeração a torre de resfriamento representa a fonte quente do ciclo termodinâmico e merece grande atenção para sua seleção e controle em operação. (Dossat, 1992). As torres de resfriamento são classificadas entre os sistemas de resfriamento evaporativo, o que consiste na transformação de calor sensível em calor latente, donde a água e o ar são fluidos de trabalho. (Stoecker, 1985). A transferência de calor por evaporação da água no ar é mais eficiente quando a temperatura é alta e o resfriamento se faz mais necessário. As torres de resfriamento podem ser de contato direto ou indireto, dependendo se os fluidos ar e água são ou não misturados.
Torres de resfriamento são utilizadas para remover o calor da água que vem do condensador do chiller, geralmente esta temperatura antes da troca está em 37°C e depois retorna ao chiller com 30°C. Essas torres trocam calor com o ar atmosférico. Ventiladores executam a circulação de ar atmosférico por sobre a água do condensador na torre de resfriamento. Bombas de água gelada são utilizadas para movimentar a água e dar pressão na tubulação de água. Ventiladores e exaustores são máquinas de fluxo destinadas a insuflar e remover o ar do ambiente condicionado. É essencial que na instalação todos os equipamentos sejam providos com adequados sensores de temperatura, medidores de vazão, medidores de pressão das bombas, etc. Só assim o desempenho do sistema está propriamente estabelecido.
As torres de resfriamento podem ser classificadas como Torres Naturais e Torres Mecânicas. Nas Torres Naturais, o suprimento de ar na torre é efetuado por convecção natural. Já nas Torres Mecânicas, o ar é suprido através de ventiladores. Por sua vez, as torres de tiragem mecânica podem ser classificadas como as de tiragem forçada ou tiragem induzida. Elas também se classificam quanto à direção de fluxo de ar e água: fluxo cruzado ou contracorrente. Nas torres de fluxo cruzado, o fluxo de ar é horizontal, sendo cortado transversalmente por um fluxo de água vertical descendente. Já nas torres com fluxo contracorrente, o fluxo de ar move-se ascendentemente e a água possui o fluxo descendente. Cada tipo de fluxo apresenta vantagens e desvantagens. Portanto, a seleção depende das condições de instalação e da capacidade da torre.
O desempenho de uma torre de resfriamento varia, entre outros fatores, conforme a temperatura do ar ambiente, umidade do ar, temperatura de bulbo úmido, ou seja, com o clima. No inverno, a temperatura do ar cai e a temperatura de saída da água também cai, caso a carga térmica seja mantida constante. Para manter a temperatura da água de saída constante, pode-se diminuir a vazão de água que recircula no sistema de refrigeração. No verão, ocorre o inverso, a temperatura de saída da água aumenta, comprometendo a operação de um condensador em uma coluna de destilação, por exemplo. Pode-se aumentar a vazão de água no sistema, visando compensar o aumento de temperatura.
3.1.1 OPERAÇÃO DE TORRES DE RESFRIAMENTO
A teoria básica de operação de torres de resfriamento foi primeiro proposto por Walker et al. (1923), que desenvolveram as equações básicas para a transferência total de massa e energia e consideram cada processo separadamente. Merkel (1925) combina os coeficientes de transferência de calor sensível e massa num único coeficiente global, baseado no potencial entálpico como força motora. A teoria proposta por Merkel requer algumas hipóteses simplificadoras, que têm sido universalmente adotadas para o cálculo do desempenho de uma torre de arrefecimento.
Na prática, para projetar torres de resfriamento, é muito comum usar o conceito de eficiência de resfriamento, definida por:
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1 2
1 x
T T
T Tε −=
− (1)
Onde:ε : eficiência do equipamento analisado.
1T : temperatura da água quente na entrada da torre, [ºC].
2T : temperatura da água quente na saída da torre, [ºC].
xT : temperatura do ar ou temperatura da água fria, na entrada da torre, [ºC].
3.1.2 VARIÁVEIS DE PROCESSO E ESPECIFICAÇÃO DA TORRE DE RESFRIAMENTO
3.1.2.1 FAIXA
A faixa de uma torre de resfriamento é definida como a diferença entre a temperatura da água quente (alimentação da torre) e a temperatura da água fria (saída da torre). Ela varia conforme as condições climáticas e a vazão da água de resfriamento na torre.
3.2 TROCADOR DE CALOR
O equipamento conhecido como trocador de calor é usado para implementar a troca de calor entre fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida. Pode-se classificar os trocadores de diversas maneiras: quanto ao modo de troca de calor, quanto ao número de fluidos, tipo de construção, etc. De uma forma mais básica, duas classificações são interessantes: aquela que divide os trocadores entre aqueles que utilizam o contato direto e os de contato indireto e uma outra que os classifica em função das suas características de construção.
3.2.1 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO A CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUÇÃO
Os tipos existentes de trocadores de calor são: trocador tubular, de placas, de superfície estendida e regenerativos. Existem outros, mas os grupos principais são estes. Aqui vamos focar apenas o primeiro.
3.2.1.1 TROCADORES TUBULARES
São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.
3.2.1.1.1 TROCADOR DE CALOR EM SERPENTINA
Este tipo de trocador, representado na Figura 1, consiste em uma ou mais serpentinas (de tubos circulares) ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizando as serpentinas.
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Figura 1 – Trocador de calor de serpentina.
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MODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDO
4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
• AQUECEDOR ELÉTRICO• VENTILADOR• FONTE DE TENSÃO• MEDIDOR DE TEMPERATURA• PT100• TERMOPAR TIPO J• SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS
4.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Foi montada uma bancada experimental, na qual foram feitas as medições, que representa de forma bem simplificada e reduzida, uma torre de resfriamento. Devido às alterações realizadas a fim de facilitar e agilizar a montagem da bancada, a torre de resfriamento não poderá ser assim denominada uma vez que não possui as mesmas características, mesmo que de forma reduzida.
A bancada foi montada tendo em vista uma torre de resfriamento com circuito fechado, porém, no nosso caso, a passagem tanto do fluido refrigerante quanto do fluido a ser refrigerado está em circuito aberto (passagem contínua, não há retorno do mesmo fluido). Esta alteração foi necessária a fim de baratear o equipamento e também simplificá-lo.
O esquema ilustrado na Figura 2 mostra como foi a construção da bancada. A bancada é uma mini-torre de resfriamento com serpentina. Cada equipamento é indicado por um número que descreve um fenômeno ou um instrumento (conforme mostrado logo abaixo da figura). As demais ferramentas utilizadas são máquinas do laboratório LETA (Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos) da UFRGS, onde todo o experimento foi realizado, desde a montagem da bancada até as medições da temperatura.
Figura 2 – Esquema da construção da bancada experimental, uma mini-torre de resfriamento com utilização de serpentina.
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Cada número mostrado na figura anterior corresponde a alguma ação ou equipamento, como indica a lista abaixo:
1. Entrada do fluido refrigerante (água fria);2. Entrada do fluido a ser refrigerado (água quente);3. Entrada do ar atmosférico;4. Borrifador (chuveiro) de água;5. Esguicho do fluido refrigerante;6. Serpentina de cobre;7. Saída do fluido refrigerado;8. Saída do fluido refrigerante;9. Ventilador de CPU (saída do ar atmosférico);10. PT100 (medição da temperatura do ar atmosférico que sai);11. PT100 (medição da temperatura do fluido refrigerado que entra);12. PT100 (medição da temperatura do fluido refrigerado que sai);13. PT100 (medição da temperatura do fluido refrigerante que sai);14. Termopar Tipo J (medição da temperatura do fluido refrigerante que entra).
É possível visualizar, na realidade, como ficou a mini-torre de resfriamento com serpentina na Figura 3, construída para medição da temperatura em uma troca de calor entre dois fluidos.
Figura 3 – Mini-torre de resfriamento com serpentina. Bancada experimental pronta e instrumentada.
A bancada consiste em uma “torre” na qual, em seu interior, há fixado uma serpentina de cobre pela qual passa o fluido refrigerado (água quente). Na parte superior da torre há um aspersor de água, uma espécie de “chuveirinho”, responsável por esguichar água fria (fluido refrigerante). A torre possui nas laterais, próximo a base, aberturas para a entrada de ar, vindo da atmosfera, que também ajudará na refrigeração do fluido que passa pela serpentina. Este ar é succionado por dois ventiladores acima da torre, que farão a circulação do ar vindo da atmosfera.
Para a construção da “torre” utilizou-se uma lata metálica. Foi retirada a parte de cima da lata (tampa), fez-se um furo no lado inferior para escorrer a água que cai do borrifador e ainda em duas laterais opostas fez-se um corte retangular em cada lado para passagem do ar. Um dos outros dois lados da lata inalterados foi totalmente aberto para visualização do experimento,
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sendo fixado ali um pedaço de acrílico. O aspersor (borrifador) de água está fixado na parede de um tubo circular de PVC com diâmetro próximo ao valor da aresta da lata. O tubo com o esguicho de água é fixado na lata, sendo vedada com madeira a área da lata a mais (que o diâmetro do tubo não consegue cobrir). Sobre o tubo, fixado em outro pedaço de madeira são colocados dois coolers (de CPU) que farão a circulação do ar. Todo o equipamento é revestido, para fins estéticos, com papel contact.
A serpentina colocada na torre, com tubo de cobre, possui 3,10m de comprimento. A serpentina foi enrolada na forma de cone, como pode ser visualizado na Figura 4, para que toda sua área fosse molhada pelos esguichos de água fria, facilitando a troca de calor. A Figura 5 mostra o aspersor de água feito com um “chuveirinho” fixado no tubo de PVC. Os dois ventiladores, já montados sobre o equipamento, e conectados a uma Fonte de Tensão Alternada de 12V (do laboratório), aparecem na Figura 6.
Figura 4 – Serpentina de cobre. Local por onde passa o fluido a ser refrigerado. É posicionado com sua abertura maior para cima, dentro da mini-torre.
Figura 5 – Aspersor (borrifador) de água, uma espécie de chuveirinho para esguichar água fria (fluido refrigerante), na forma de gotículas sobre a serpentina.
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Figura 6 – Dois ventiladores, um ao lado do outro (esquerda), sobre o equipamento. Eles devem succionar o ar atmosférico que entra pelas laterais da mini-torre, e são ligados a uma Fonte de
Tensão Contínua de 12V (direita).
A água quente que passa pelo tubo de cobre (serpentina) vem de um aquecedor elétrico já instalado nas dependências do laboratório. A vazão de entrada é controlada por uma simples torneira e foi calculada de forma prática, cronometrando o tempo que levava para encher determinado volume. A água deve ser resfriada quando de sua passagem por dentro da serpentina instalada dentro da mini-torre, devido ao contato do tubo de cobre com as gotas de água fria e com o ar. A água fria é introduzida no experimento sem a medição de sua vazão (controlada manualmente – esta foi mantida constante em todas as medições), e a mesma provém direto de uma torneira convencional do laboratório e passa por um cano até chegar ao borrifador, que espalhará a água em forma de gotas sobre a serpentina. O ar atmosférico entra por duas aberturas laterais na mini-torre e é elevado pela sucção dos dois ventiladores, posicionados na parte superior da mini-torre.
A saída dos líquidos se dá, por uma abertura no fundo da lata que constitui a mini-torre (fluido refrigerante) e, o fluido refrigerado, pela continuação do tubo de cobre que vai desembocar em uma mangueira. Ambos líquidos não são reaproveitados.
Há a medição da temperatura de entrada e de saída dos três fluidos envolvidos no processo: fluido refrigerado (água quente), fluido refrigerante (água fria) e ar atmosférico. Utiliza-se o instrumento PT100 para determinar a temperatura de entrada e de saída da água quente, de saída da água fria e do ar. A temperatura da água fria que entra na mini-torre é medida por um equipamento, já instalado no laboratório, que utiliza um Termopar Tipo J e, a temperatura do ar atmosférico é determinada pelo equipamento utilizado como medidor de temperatura (Vaisala), Figura 7. Optou-se assim se fazer as medições devido a restrições de instrumentos que o laboratório dispunha no momento das medições.
Tanto o medidor de temperatura como o equipamento que utiliza o Termopar Tipo J possuem visualização digital, facilitando a amostragem do valor. Os três PT100 que foram utilizados na medição da temperatura da água (tanto a fria como a quente) estavam encapsulados devido a sua utilização no líquido, já o utilizado para o ar não necessitou estar encapsulado. Os quatro PT100 foram conectados ao equipamento Data Logger HP que realizou a leitura das temperaturas, e através de uma placa de aquisição de dados e um programa específico (Agilent Data Logger), estas foram transferidas direto ao computador. As Figuras 8 e 9 mostram o equipamento Data Logger HP, e a interface gráfica do programa Agilent Data Logger.
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Figura 7 – Vaisala. Equipamento utilizado para medir a temperatura do ar atmosférico.
Figura 8 – Data Logger HP. Equipamento utilizado no desenvolvimento do trabalho para ler os dados de resistência dos instrumentos PT 100 e passá-los para uma variação de temperatura.
Figura 9 – Interface gráfica do programa Agilent Data Logger. Possui recursos para salvar os dados adquiridos durante o tempo e ainda, no momento da aquisição, plota um gráfico em função
do tempo dos diferentes dados que se está adquirindo.
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VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS
Os resultados obtidos, através da análise das medições de temperatura, foram coerentes com o que estava previsto para acontecer na bancada experimental da mini-torre de resfriamento com serpentina. A água quente que entra no tubo de cobre (escolhido por sua grande capacidade de troca de calor, ou seja, baixa resistência térmica) é resfriada pelas gotículas de água fria que são aspergidas pelo borrifador e também pelo ar que passa na torre. Como resultado desta troca de calor se obtém uma água fria na saída um pouco mais quente que quando entrou e o ar da saída mais quente e úmido.
Todos os equipamentos utilizados apresentam uma faixa de precisão, ou seja, os valores obtidos não são exatos, estes variam dentro de uma faixa, como já mencionado, porém, como não se está interessado em retirar um valor numérico representativo, mas sim, em fazer uma comparação entre diferentes desempenhos, são úteis os valores encontrados sem serem prejudicados pelas imprecisões que não afetarão em nada os resultados.
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APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
Conforme descrito acima o nosso trabalho não constitui uma torre de resfriamento convencional nem um trocador de calor, mas sim, uma junção de ambos. Há a presença de três fluidos que se trocam calor. Conforme a classificação das torres de resfriamento, considerando apenas o fluido refrigerante e o ar, tem-se uma torre do tipo Mecânica de contato direto com fluxo contra corrente. Considerando, agora, apenas o tubo de cobre (por onde escoa água quente) e o exterior (água fria e ar) se terá um trocador de calor do tipo serpentina.
Os fenômenos que ocorrem nesta troca de calor são inúmeros, intensos e complexos (troca de calor da água quente com o tubo de calor e este com a água fria e com o ar, e também a água fria trocando calor com o ar e vice-versa), o que dificulta e muito a utilização de qualquer tipo de equacionamento, optando-se então por uma comparação de desempenhos e observações dos efeitos.
A fim de comparar os fenômenos que ocorrem nesta troca de calor serão testados vários casos diferentes: o fluido refrigerado submetido apenas à ação dos ventiladores, depois somente à ação dos esguichos de água fria e por fim com todos agentes (água fria e ventilador) e ainda com a variação da vazão do fluido refrigerado.
Alguns dos testes realizados são mostrados nos gráficos das Figuras 10 e 11. Vale salientar que o tempo zero mostrado no eixo das abscissas de todos os gráficos que seguem não é no momento da abertura de todas as torneiras, as mesmas já estavam abertas, logo se pode dizer que este é um tempo arbitrário após a estabilidade do processo. E também é importante deixar esclarecido que a porção de água quente que foi medida, em determinado tempo, tendo uma temperatura na entrada da serpentina, na saída, essa mesma porção, estará com uma temperatura mais baixa, porém nos gráficos que seguem estará representada num tempo após o que está representado na entrada. Isso decorre do fato de o tempo de medição ser o mesmo para a entrada e a saída da água, mas não significa que a água que estou medindo na entrada é a mesma porção de água que estou medindo na saída.
Diferença de Temperatura entre
a entrada e saída do Fluido RefrigeradoVazão: 0,08m³/h (utilizando líquido refrigerante e ventilador)
2526272829303132333435
0 50 100 150 200 250 300Tempo [s]
Tem
pera
tura
[°C
]
S aída E ntrada
Figura 10 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado (água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,08m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar líquido (água fria) e ventilador.
13
Diferença de Temperatura entre a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (utilizando líquido refrigerante e ventilador)
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34
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0 50 100 150 200 250 300
Tempo [s]
Tem
pera
tura
[°C
]
Saída Entrada
Figura 11 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado (água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar líquido (água fria) e ventilador.
Os gráficos mostram uma constância de variação de temperatura da água quente que entra e a que sai, ou seja, a diferença de temperatura se mantém constante, a temperatura da saída da água varia com a temperatura de entrada. A diminuição da temperatura de entrada da água quente é decorrente da dificuldade que se tem em controlar a temperatura da água que vem do aquecedor elétrico, de maneira a deixá-la constante. Porém, vê-se um resultado satisfatório uma vez que é percebida uma variação de temperatura significativa, validando nosso experimento.
O tempo em que a linha de saída do fluido nos gráficos deve ser retardada em comparação a linha de entrada é, para uma vazão de 0,08m³/h, aproximadamente 7 segundos, e para a vazão de 0,36m³/h, de 2 segundos. Uma diferença sem importância para os resultados, mas que deve ser observada.
Outro ponto importante verificado é mudando a vazão do fluido refrigerado. Observa-se pelos dados que, no momento que a vazão é maior, a diminuição da temperatura no fluido refrigerado é menor se comparado a diferença de temperatura que se obteve quando da vazão menor. Isso pode ser explicado ao pensar que alterou a velocidade de escoamento do fluido, já que a área permaneceu constante, e com uma velocidade menor o líquido permanece mais tempo em contato com o tubo que está esfriando, podendo também resfriar-se mais. Esse resultado é observado nas Figuras 9 e 10, onde o primeiro (vazão menor) se obteve 7,77ºt C∆ = e para o segundo (vazão maior) observa-se 2,52ºt C∆ = , uma diferença considerável (os valores de t∆são médias).
Os resultados que mais chamam a atenção, são, sem dúvida, as diferenças existentes entre os casos analisados (com todos os equipamentos para resfriamento ou sem algum deles). Os gráficos mostrados nas Figuras 12 e 13, abaixo, são para dois casos, um não utilizando o fluido refrigerante e outro sem a utilização do efeito dos ventiladores, ambos para a mesma vazão.
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Diferença de Temperatura entre a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (utilizando apenas líquido refrigerante)
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Tempo [s]
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[°C
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Entrada Saída
Figura 12 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado (água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar apenas líquido (água fria).
Diferença de Temperatura entre a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (utilizando apenas ventilador)
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
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0 50 100 150 200 250 300
Tempo [s]
Tem
pera
tura
[°C
]
Entrada Saída
Figura 13 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado (água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar apenas os ventiladores.
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Como era o esperado, é percebido que há uma maior diferença de temperatura existente na entrada e saída do líquido refrigerado quando submetido apenas a ação do fluido refrigerante que no caso de ser submetido apenas a ação dos ventiladores, que promovem uma circulação do ar. Isso vem a mostrar que o ar é um fluido de difícil troca de calor, por isso sistemas de resfriamento ou escolhem outro fluido como refrigerante ou se não é possível trabalhar com outro fluido necessitam aumentar a área de transferência do calor (utilização de aletas).
Fazendo a diferença dos resultados que se obteve como média para as variações entre a temperatura na entrada e saída do fluido refrigerado para os casos das figuras acima (de resfriamento sem a água fria e resfriamento sem os ventiladores) obteve-se como resposta uma variação de 2,32ºC.
É possível, para os casos mostrados nas duas figuras anteriores calcular a eficiência de resfriamento de cada equipamento. Fazendo uso da equação (1) e modificando-a para o quando se tem dois líquidos como fluidos de trabalho, obteve-se, para o caso de utilização apenas do líquido refrigerante como equipamento de resfriamento, 25%ε = ; já para o caso da utilização de apenas os dois ventiladores como meio de resfriamento o resultado foi 12%ε = . Os valores indicam apenas a superioridade do resfriamento com água do que apenas com o ar.
Este mesmo cálculo não pode ser repetido para quando se têm ambos os instrumentos (água fria e ventilador) de resfriamento, pois não é conhecida a influência (pesos) da participação de cada elemento no resfriamento da água quente, não é conhecida a troca de calor latente e sensível do processo.
Outra medição realizada, mais por curiosidade, não considera nenhum equipamento de resfriamento, ou seja, a mini-torre ficou submetida apenas a ação do ar atmosférico sem nenhum aparelho para aumentar sua movimentação. A Figura 14 ilustra esse teste.
Diferença de Temperatura entre a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (sem utilizar equipamento de resfriamento)
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28
2930
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0 50 100 150 200 250 300
Tempo [s]
Tem
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tura
[°C
]
Saída Entrada
Figura 14 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado (água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
sem utilizar equipamento para resfriamento.
Percebe-se como a variação da temperatura da água quente é mínima, mas existe. Neste momento há uma circulação do ar por convecção natural, o ar que chega próximo aos tubos é aquecido ao trocar calor, torna-se menos denso e é elevado pelo ar mais frio que vem de fora. A diferença entre este caso (sem nenhum sistema de resfriamento) e o caso mostrado anteriormente
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apenas com os ventiladores em funcionamento mostrou uma diferença pequena o que levanta a questão da eficiência dos ventiladores.
Obteve-se para este experimento desenvolvido uma faixa máxima de 8,11ºC (valor correspondente a média de todos os pontos de medição). Este resultado mostra a máxima diferença de temperatura na entrada e saída do fluido refrigerado.
Para se ter uma idéia de como os demais parâmetros (temperaturas) medidos foram influenciados no processo onde todos os equipamentos de resfriamento estavam funcionando se tem que, a temperatura da água fria na entrada era praticamente constante (variação de 1ºC) na ordem de 16,2ºC, e a mesma saía da torre com temperatura média de 20,7°C. O ar atmosférico entrava com uma temperatura de 21,6°C e saía com média de 23ºC.
Por estes resultados o ar tem sua temperatura aumentada, o que se conclui é que predomina o calor trocado com o tubo (serpentina) e não com a água, porém, em condições reais de operação o esperado é uma redução da temperatura do ar de saída, trocando calor predominantemente com a água fria. Uma explicação para esse fenômeno seria que a serpentina não estivesse totalmente molhada, causada pela baixa eficiência do borrifador.
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CONCLUSÕES
Este trabalho foi muito importante para se ter conhecimento da grande complexidade que se tem por trás dos fenômenos e processos estudados em sala de aula. As coisas apresentadas em um quadro de giz são muito mais complicadas do que parecem ser. Afinal, não é tão simples assim montar um instrumento que venha a representar, mesmo que de forma bem simplificada, um fenômeno difícil de ser compreendido em sua totalidade. Foi, principalmente, devido a esta dificuldade que não se apresentou nenhum cálculo referente à troca de calor existente na bancada experimental construída, uma vez que, para o cálculo, deve-se considerar a influência de todas as resistências térmicas do sistema que são muitas e complexas de serem determinadas, logo, o trabalho se voltou para a variação de temperatura que ocorre nos diferentes casos estudados, que é retirada diretamente dos gráficos.
Com relação aos resultados obtidos dos gráficos, ficaram dentro do esperado, mostrando como os parâmetros variam em cada processo analisado.
Muitas foram as simplificações feitas para a obtenção de resultado de forma rápida e barata (objetivos do trabalho), mas verificou-se que essas atribuições em um processo real de indústria não podem acontecer, pois despenderia muita água, sem nenhuma forma de reaproveitamento. Logo, utilizar uma bomba de forma a recircular os fluidos refrigerados e refrigerantes são etapas que devem ser introduzidas numa etapa de continuação do trabalho realizado. Tentar deixar o experimento mais próximo da realidade, aumentando o tamanho do equipamento. E também modificar o borrifador, já que foi a causa de um possível erro; ou mesmo os ventiladores, na tentativa de aumentar a eficiência do sistema. E por fim, conseguir, mesmo que aproximado, concluir sobre as possíveis trocar térmicas existentes nos diversos processos existentes dentre de uma mini-torre de resfriamento com trocador de calor.
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APÊNDICE
APÊNDICE I – Descrição dos equipamentos utilizados
• AQUECEDOR ELÉTRICOInstalado no LETA.A água fria vem de um reservatório situado acima, e é bombeada para o aquecedor
elétrico. O acionamento da bomba e do aquecedor fica localizado em um quadro elétrico onde ficam os disjuntores.
• VENTILADORForam utilizados 2 ventiladores.
1) Globe Fan (Sleeve Bearing) DC12V, 0,23A.
2) Jamicon DC12V, 0,19A.
• FONTE DE TENSÃOMontada pelo LETA.Fonte de Tensão Contínua de 12V.
• MEDIDOR DE TEMPERATURA (VAISALA)o Faixa de temperatura: 0 a 60°C.
• PT100É um sensor de temperatura.
o Sensibilidade pequena (aproximadamente 0,4Ω/ºC); o Tempo de resposta pequeno;o Resistência a 0ºC de 100Ω; o Variação da resistência na gama de 0ºC a 100ºC de 38,5Ω; o Não tem histerese; o Grande estabilidade; o Elevada exatidão;o Gama dinâmica precisa de -100ºC a 200ºC;o Sensibilidade ao sobreaquecimento.
• TERMOPARTermopar Tipo J
o Elemento Positivo: Ferro (+);o Elemento Negativo: Constantan (-);o Faixa de Temperatura usual: 0ºC a 760ºC;o Precisão: 1,1ºC ou 0,4%.
Características:Podem ser usados em atmosferas oxidante, redutores, inertes, e no vácuo. Não devem ser
usados em atmosferas sulfurosas e não se recomenda o uso em temperaturas abaixo de zero grau. Apresenta baixo custo. A escolha de um termopar, para um determinado serviço, deve ser feita considerando todas as possibilidades variáveis e normas exigidas pelo processo.Restrições:
i. Limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 760ºC devido à rápida oxidação do ferro.
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ii. Utilizar tubo de proteção acima de 480ºC.
• SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS (DATA LOGGER HP)É um modelo da Agilent 34970A (Data acquisition/switch unit). Ele possui na sua parte
traseira 3 compartimentos ou “gavetas” onde, em cada uma, fica um Multiplexer de 20 canais, no qual foram conectados os sensores.
