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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
Gabriel Birck – 173495
Renan Pauletto - 172756
Renato Pessini – 173058
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, dezembro de 2011
2
RESUMO
O presente trabalho consiste na instrumentação, projeto, desenvolvimento e análise de um
pasteurizador, utilizado para reduzir a temperatura do mosto na produção de cerveja. O princípio
fundamental do sistema é a troca de calor devido à diferença de temperatura entre o escoamento
do mosto e um escoamento de fluido refrigerante. Para isso, foi utilizada uma configuração de
montagem de escoamento paralelo e contracorrente, sendo que os dois casos são analisados
visando otimizar o projeto e comprovar e desenvolver a teoria sobre trocadores de calor.
Objetivou-se a diminuição da temperatura da água proveniente da fonte quente (65°C) para o
mais próximo possível da fonte fria (temperatura ambiente). Por ser um desenvolvimento
acadêmico, o fator econômico foi uma das limitações de projeto, sendo que o orçamento
disponível foi fixado em 115 reais, desse modo se visa um trocador eficiente e com baixo custo
associado. Foram realizadas diversas medições de modo a se ter valores para otimizar o projeto e
levantar sua eficiência, eficácia e produtividade. Os resultados obtidos são concordantes com a
teoria no que leva em conta as propriedades e resultados de trocadores de calor e escoamentos. O
projeto final possui quatro metros de cobre, aletado com o mesmo material e uma mangueira
irregular que promove alta turbulência. Os resultados obtidos com tal configuração denota uma
redução de aproximadamente 30°C para vazão de fluido frio 10L/min e fluido quente 2L/min.
Para o caso analisado visando a comparação dos protótipos presentes no laboratório de análise
(LETA-UFRGS), para uma configuração de 3L/min para o fluido quente e frio, a redução de
temperatura foi de aproximadamente 19°C. Assim se conclui um projeto válido pela eficácia
obtida nos testes e pelo baixo custo associado, quando comparado aos disponíveis no mercado.
Palavras-chave: pasteurizador, cerveja, trocador de calor, turbulência, protótipo.
3
ABSTRACT
This work consists of the instrumentation, design, development and analysis of a
pasteurizer, used to reduce the temperature of the must to produce beer. The main principle of
this system is the heat transfer because of the temperature difference between the flow of
WORT and of the refrigerant. For that, it was used a mounting configuration of either parallel
flow or counter flow. The two cases are analyzed in order to optimize the design, test new
configurations and develop the theory of heat transfer improving the system. The goal of
lowering the temperature of the must from the hot spring (65°C) to the nearest possible source of
cold (room temperature). Being an academic development, the economic factor was one of the
design and project limitations, and the available money was set at 115 reais, so this project
means a exchanger efficiency and low cost associated. Several measurements were performed in
order to have values and numbers to optimize the design and raise its efficiency, effectiveness
and productivity. The results are consistent with the theory, talking about properties and results
of flow and heat transfer. The final design has four meters of cooper fins with the same material
and an irregular tube that promotes high turbulence. The results with this configuration shows a
reduction of approximately 30⁰C for fluw of 10L/min cold fluid and 2L/min for the hot one. For
the case analyzed to compare the prototypes present in the laboratory where the analysis were
done (LETA-UFRGS), for a configuration of 3L/min for the hot and cold fluid, the reduction of
temperature was approximately 19⁰C. So concludes a valid an interesting project for the
efficiency obtained in test and the low cost to produce the system when it is compared to the
similar available in the market.
Keywords: pasteurizer, beer, heat exchanger, turbulence, temperature, prototype.
4
SUMÁRIO
RESUMO ......... ........................................................................................................................................... 2
ABSTRACT ......... ......................................................................................................................................... 3
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 6
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................................... 6
2.1. PASTEURIZAÇÃO DE CERVEJA .................................................................................................................... 6 2.1.1. PASTEURIZADOR INDUSTRIAL ............................................................................................................... 6 2.1.2. PASTEURIZADOR ARTESANAL ................................................................................................................ 7 2.2. MEDIDOR DE VAZÃO .............................................................................................................................. 8 2.3. ESCOAMENTO PARALELO. ........................................................................................................................ 9 2.4. ESCOAMENTO CONTRACORRENTE: ............................................................................................................. 9
3. FUNDAMENTAÇÃO .............................................................................................................. 10
3.1. MÉTODO DA EFETIVIDADE (NUT) ........................................................................................................... 10
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ................................................................................................... 11
4.1. ADAPTAÇÃO DO MODELO TEÓRICO AO PROTÓTIPO ...................................................................................... 12 4.2. TABELA DE CUSTOS ............................................................................................................................... 12 4.3. DETALHAMENTO DO PROJETO ................................................................................................................ 13 4.4. CONSTRUÇÃO ...................................................................................................................................... 13
5. VALIDAÇÃO E RESULTADOS ................................................................................................. 15
5.1.1. ÁGUA FRIA DESCENDENTE ................................................................................................................. 15 5.1.2. ÁGUA FRIA ASCENDENTE .................................................................................................................. 16 5.2. ESCOAMENTO PARALELO ....................................................................................................................... 17 5.3. COMPARAÇÃO DO MODELO FÍSICO COM TEÓRICO ....................................................................................... 18 5.3.1. ESCOAMENTO CONTRACORRENTE ....................................................................................................... 18 5.3.2. ESCOAMENTO PARALELO ................................................................................................................... 18 5.3.3. INCERTEZA DE MEDIÇÃO NAS TEMPERATURAS DA BANCADA ..................................................................... 19 5.4. MEDIÇÃO DA VAZÃO ............................................................................................................................ 19
6. CONCLUSÕES ....................................................................................................................... 22
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................................. 23
ANEXOS ........ ........................................................................................................................................... 24
ANEXO A – Folha de Avaliação .................................................................................................................. 24
5
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS
V: Volume [m³]
: Vazão volumétrica [m³/s]
T: tempo [s]
U: coeficiente global de transferência de calor [W/(m2 · K)]
ΔTml: diferença de temperatura média logarítmica [°C]
m: Massa [kg]
: Vazão mássica [kg/s] ou [g/s]
T: Temperatura [K] ou [ºC]
A: Área [m²]
6
1. INTRODUÇÃO
Louis Pasteur, (1822-1895), descobriu em 1864 que o aquecimento de certos alimentos e
bebidas acima de 60°C por um determinando tempo e depois a redução brusca da temperatura do
alimento evitava a sua deterioração, reduzindo de maneira sensível o número de
microorganismos presentes na sua composição. [Wikipédia, a enciclopédia livre].
Em resumo, o processo de pasteurização consiste no aquecimento do alimento até uma
dada temperatura com o objetivo de eliminar microrganismos presentes ali. Posteriormente, é
realizado o arrefecimento deste alimento ou substância. [Wikipédia, a enciclopédia livre].
Neste trabalho, foi focado apenas o resfriamento do mosto (água quente). Objetivaram-se,
assim, os seguintes aspectos: maior diminuição de temperatura da água quente (eficácia), maior
vazão possível da água quente (produção), menor vazão possível do fluido de arrefecimento
(eficiência) e menor incertezas de medição das vazões.
Baseado nos aspectos relatados anteriormente foi realizado o projeto e montagem de um
trocador de calor que melhor atendesse aos critérios. Utilizou-se um tubo de cobre de diâmetro
9,53 mm (3/8’’) envolvido por uma mangueira vácuo Ar. O fluido refrigerante escoa através da
tubulação de cobre na configuração contracorrente em relação a água que escoa dentro da
mangueira vácuo ar. Além disso, foi obtido através de medidores de vazão valores do consumo
de água necessária para o arrefecimento do mosto, bem como a quantidade final do mosto
resfriado em um determinado tempo de operação.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Pasteurização de cerveja
A cerveja engarrafada antes de ser pasteurizada recebe a denominação Chopp. Após ser
pasteurizada ela passa a se denominar-se cerveja. O objetivo da pasteurização é eliminar alguns
microorganismos que irão prejudicar as características originais da cerveja. Assim, a
pasteurização costuma ser realizada a temperaturas por volta de 70°C, de modo que essa seja a
temperatura letal dos microorganismos em questão. Quando a cerveja é engarrafada antes da
pasteurização, esse processo é conduzido em câmaras onde a cerveja recebe jatos de vapor e em
seguida é refrigerada com jatos de água fria. Caso a pasteurização ocorra antes do
engarrafamento, a cerveja é pasteurizada através de sua passagem por trocadores de calor.
[Grupo de processos biotecnológicos – UFSC].
2.1.1. Pasteurizador industrial
Na indústria devido a sua tecnologia apresenta pasteurizadores automatizados no qual a
cerveja já engarrafada e arrolhada chega até o pasteurizador por esteiras laterais até a frente do
equipamento onde se acumulam e são forçadas para o seu interior sobre grelhas fixas onde se
inicia o processo de movimentação.
O processo de pasteurização se dá por esguichos de água quente sobre as garrafas que
passam por baixo, começando numa temperatura mais baixa e aumentando gradativamente até o
meio do equipamento onde se há a temperatura de pasteurização. Desse ponto para frente a
temperatura é diminuída gradativamente, com a saída possuindo a mesma temperatura da
entrada. Visto na Figura 1.
7
Figura 1 : Vista frontal esquemática de um túnel de pasteurização com sua
área inferior utilizada como tanque.
2.1.2. Pasteurizador artesanal
Na produção de pequenas quantidades de cervejas, como no caso de cervejas artesanais, o
pasteurizador utilizado é um trocador de calor normalmente duplo-tubo (Figuras 2 e 3) ou um
chiller de imersão (Figura 4).
No caso de um trocador duplo-tubo um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço
anular, a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno. Este escoamento pode ser tanto
paralelo (concorrente) ou contracorrente, tendo como característica deste trocador a simplicidade
e boa eficiência e estabilidade coloidal do mosto. Este tipo de trocador é vendido por até R$
380,00 em www.cervejando.com/acessorios.html acessado em 16 de dezembro de 2011. (figura
2).
Figura 2 : Chiller de contra-fluxo. (www.cervejando.com/acessorios.html)
8
Figura 3 : Pasteurizador duplo-tubo da Metalúrgica Recanto D’Itália
(http://www.recantoditalia.com.br/produtos.php).
Já o chiller de imersão, trata-se de uma serpentina que é colocada na panela ao final da
fervura e por onde passa água fria. O calor do mosto é transferido para a água, resfriando ele.
Este tipo de trocador de calor é vendido por R$ 180,00 em www.cervejando.com/acessorios.html
acessado em 16 de dezembro de 2011. (figura 4).
Figura 4 : Chiller de imersão (www.cervejando.com/acessorios.html).
2.2. Medidor de Vazão
Para o caso analisado no presente trabalho, se tem uma condição bastante simples de
medição de vazão. Para um sistema que tem como objetivo reduzir a temperatura do mosto e
mensurar o valor global da vazão de saída tanto do produto, quando da quantidade do líquido
refrigerante, um medidor por tanque aferido se torna ideal; tanto pela sua versatilidade, quanto
por respeitar todas as condições para uma medição com erros minimizados que o sistema
utilizado tem como requisitos.
A saída do escoamento é uma descarga à pressão atmosférica, que é recolhida num
reservatório. A medida da diferença de nível no reservatório, ao longo de um período de tempo
informa a vazão volumétrica Q fornecida pela bomba nesse circuito. A medida da vazão
acontece sem interferência, ou seja, é não intrusiva, representando assim o modelo de trabalho e
satisfazendo todas as condições para uma medição otimizada.
Desse modo o medidor de vazão se torna ideal, pois representa o modelo físico com
propriedade, tem um custo associado para implementação bastante reduzido e mensura o
resultado final nos moldes e escalas de valores que o produto em questão é medido na prática.
9
2.3. Escoamento paralelo.
Nesta configuração temos os fluidos escoando no mesmo sentido. As temperaturas de
entrada e saída de cada tubo podem ser verificadas na Figura 5 onde se pode perceber, também, o
comportamento desta temperatura ao longo do trocador.
Figura 5 : Comportamento das temperaturas para o fluxo paralelo ao longo de
um trocador de calor duplo tubo.
Ao entrar no trocador de calor, a diferença de temperatura entre o fluido frio e o fluido
quente será muito grande o que resultará numa taxa de transferência de calor local muito alta no
início. A medida que fluidos escoam as temperaturas tenderão assintoticamente a uma
temperatura de referência, o que levará a taxa de transferência de calor para valores muito baixos
rapidamente. Por apresentarem este fenômeno normalmente os trocadores de calor nesta
configuração são muito mais curtos do que os de configuração contra corrente.
Pela existência de uma grande diferença de temperatura no início, trocadores de calor
duplo tubo com escoamento em paralelo são bastante utilizados como condensadores, uma vez
que o calor latente é muitas vezes maior que o calor sensível.
2.4. Escoamento contracorrente:
Nesta configuração temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas,
conseqüentemente o escoando em sentidos opostos. As temperaturas de entrada e saída de cada
tubo podem ser verificadas na Figura 6 onde pode verificar também o comportamento desta
temperatura ao longo do trocador. Nota-se que para as mesmas configurações o trocador de
contra corrente consegue uma diferença de temperaturas maior quando comparado ao com fluxo
paralelo.
10
Figura 6 : Escoamento contracorrente.
Considerando o problema permanente, desprezando a parte transiente, nessa configuração,
para trocador de duplo-tubo, a troca térmica é mais homogênea entre os fluidos ao longo do
comprimento do trocador. No caso de escoamento contra corrente, as diferenças de temperatura
entre os fluidos na entrada e na saída do trocador são menores e assim o gradiente de troca de
calor é mais homogêneo ao longo de todo trocador.
No caso do fluido quente estar sendo resfriado, ambos fluidos tendem a se aproximar de
uma mesma temperatura de referência para um comprimento de tubo suficientemente grande.
Contudo nunca chegarão a ter a exatamente a mesma temperatura por haver uma resistência
térmica entre ambos os fluidos.
3. FUNDAMENTAÇÃO
3.1. Método da Efetividade (NUT)
O método da efetividade NUT (ou método Ɛ-NUT) é utilizado quando somente existem
informações de condições de contorno a respeito das temperaturas de entrada no trocador de
calor. A abordagem de um problema deste tipo pelo método LMDT geraria um cálculo por
iterações deveras trabalhoso, por isso a preferência ao uso do método NUT.
Para a definição da efetividade de um trocador de calor devemos partir da expressão geral
para a transferência de calor máxima:
(3)
Sendo equivalente á menor capacidade calorífica entre e . Assim torna-se lógico
definir a efetividade como a razão entre a taxa de transferência de calor real do trocador de calor
e a taxa de transferência de calor máxima possível.
(4)
Assim toma-se a efetividade como um adimensional dentro da faixa de , sendo a
efetividade para qualquer trocador de calor demonstrada como:
11
(5)
Onde
é igual à
ou seu inverso dependendo das magnitudes relativas das taxas de
capacidade calorífica.
Para trocadores de calor, a definição do número de unidades de transferência (NUT) pode
ser escrito da seguinte forma:
(6)
No qual o NUT pode ser encontrado em tabelas disponibilizadas em literatura especifica de
transferência de calor. Para o caso de trocadores duplo tubo (tubos coaxiais) tem-se a seguinte
expressão para NUT:
Escoamento em Paralelo
(7)
Escoamento Contracorrente
(8)
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
O experimento proposto para o desenvolvimento está esquematizado abaixo, sendo
utilizado com o modelo teórico para elaboração do protótipo.
Figura 7 : Modelo teórico para elaboração do projeto [fonte:
http://143.54.70.55/medterm/edital.pdf].
12
4.1. Adaptação do modelo teórico ao protótipo
Para desenvolver o protótipo de acordo com o esquema teórico da Figura 7; foram
propostas algumas idéias de projeto, sendo que essas foram esquematizadas com projeto básico;
envolvendo diversos cálculos teóricos para uma ideal global do sistema, levantamento de valores
globais de pressão, temperatura, vazão e perda de carga.
Com um esquema do protótipo, se chegou a conclusão de que por se tratar de um projeto
acadêmico o fator custo seria um limitante no projeto. Foi fixado assim um limite de 120 reais
para o projeto. Desse modo a idéia que sobressaiu foi o desenvolvimento de um sistema
helicoidal (redução de espaço), que pudesse ser construído com simples ferramentas, não
utilizando soldagem como técnica de construção pelos custos associados e dificuldade em
encontrar um bom soldador para o protótipo; e sim vedantes e redutores.
O projeto teve como idéia principal utilizar poucos metros de cobre por economia, desse
modo foi proposto um modelo com o máximo de turbulência possível para enfatizar o coeficiente
de troca convectiva e consequentemente a troca de calor. Para isso o tubo de cobre foi aletado e a
mangueira do fluido refrigerante escolhida tem um formato em que sua seção varia de centímetro
a centímetro, produzindo assim uma turbulência muito intensa.
Questões referentes aos cálculos, sentido dos fluxos e detalhamento serão tratados
posteriormente.
4.2. Tabela de custos
Como já comentado no item 4.1. um fator limitante é o custo associado; desse modo para
validar a configuração do projeto, esse deve denotar custos dentro do orçamento do grupo, fixado
em 115 reais.
A Tabela 1 lista todos os custos do projeto, levando a um resultado interessante, pois o
projeto esta dentro da faixa de valores do orçamento do grupo.
Tabela 1 : Relação de produtos e preços utilizados na construção do trocador de
calor.
Tabela de Custos
Produto Quantidade Preço Unitário Preço Total
Tubo de Cobre 3/8" 4 m R$ 11.55 R$ 46.20
União Freio Ar 3/8''x1/2'' 2 m R$ 11.90 R$ 23.80
Abraçadeira 2 unid. R$ 2.00 R$ 4.00
Mangueira Vácuo Ar 3/4" 5 m R$ 2.00 R$ 10.00
Rosca Branca TE 2 unid. R$ 5.50 R$ 11.00
Rosca Bucha de Redução 2 unid. R$ 1.70 R$ 3.40
Rosca Niple 1/2'' 2 unid. R$ 1.00 R$ 2.00
Irrigação Adaptador Interno 4 unid. R$ 1.20 R$ 4.80
Veda Rosca 12mm x 5m 1 unid. R$ 2.00 R$ 2.00
Durepoxi 1 unid. R$ 4.00 R$ 4.00
Custo total R$ 111.20
13
Desse modo se chega a um custo de projeto minimizado, com pretensão de um resultado
bastante interessante pela versatilidade do modelo.
4.3. Detalhamento do Projeto
Com os fatores 4.1. e 4.2. definidos, os cálculos e desenvolvimento das configurações do
projeto podem ser desenvolvidos.
Primeiramente foram avaliados os tipos de trocadores de calor tais como, o duplo tubo
(coaxial), o casco e tubo e os trocadores normalmente utilizados na produção de cerveja. Tendo
em vista o peso dos critérios de avaliação do trocador de calor associado a uma facilidade de
montagem e mobilidade do mesmo foi elaborado um mosto do tipo coaxial, porém o tubo interno
com uma espessura de 0,81mm foi envolvido de forma helicoidal por um arame também de
cobre de espessura de 1,0 mm. Isso faz com que o tubo de cobre se comporte como um tubo
aletado que além de aumentar a área de transferência de calor com a água, aumenta a turbulência
da água que escoa no tubo externo.
Após a escolha do tipo de trocador de calor foi avaliado o tipo de escoamento que seria
usado do mosto. Através de uma série de cálculos e uma confirmação experimental foi
observado que quando o fluido refrigerante se encontra em contracorrente em relação ao fluido
de resfriamento há uma maior taxa de transferência de calor do que se os mesmos estivessem em
corrente paralela. Concluída essa etapa segue a construção do trocador. A lista dos materiais
empregados na montagem do mosto esta representada na Tabela 1.
4.4. Construção
A primeira etapa da montagem do trocador de calor foi enrolar de forma helicoidal um fio
de cobre de 1 mm de diâmetro ao redor do tubo de cobre de diâmetro 3/8’’ até que o mesmo
ficasse completamente preenchido de ponta a ponta. Na etapa seguinte foi colocado o tubo de
cobre aletado dentro da mangueira de ¾’’, como mostrado na Figura 8.
Figura 8 : Foto mostrando a parte interna do trocador.
14
Posteriormente foi efetuada a montagem do TE. Primeiramente foi acoplado na rosca TE
uma bucha de redução ¾’’x1/2’’ tipo fêmea e após foi acoplado uma rosca niple de diâmetro ½’’
para que assim fossem respeitadas as saídas e entradas descritas no edital deste concurso. No
outro lado do TE foi acoplado um adaptador interno para que o mesmo fosse acoplado também à
mangueira tipo vácuo. Por fim, no lado restante do TE foi colocado um adaptador interno de
redução ¾ para ½’’ para o mesmo auxiliasse a resina epóxi no isolamento de eventuais
vazamentos. Com o TE totalmente montado foi acoplado o mesmo na mangueira vácuo Ar e
preso com as abraçadeiras. A montagem do TE esta representada na Figura 9.
Figura 9 : Montagem do TE
Após foi realizada à fixação das uniões freio Ar 3/8’’x1/2’’ no tubo de cobre, isso foi
possível através de um aparelho que se encontra no laboratório de ensaios térmicos e
aerodinâmicos. A Figura 10 mostra a fixação das uniões freio ar no tubo de cobre. A última etapa
da construção do trocador se restringe apenas a vedação com a resina epóxi nos eventuais pontos
de vazamento de água ou fluido refrigerante.
Figura 10 : Trocador completamente montado.
15
5. VALIDAÇÃO E RESULTADOS
5.1 Escoamento contracorrente
5.1.1. Água Fria descendente
Os resultados obtidos pelo software instrumentado no laboratório estão expressos na
Tabela 2 a seguir:
Tabela 2 : Medições térmicas para água fria atuando a favor da gravidade
Através da Figura 11 é possível observar que o delta T aumenta com o aumento da vazão,
o que já era esperado, uma vez que ocorre uma maior troca de calor.
Figura 11 : Variação da temperatura para diferentes vazões com água fria
descendente
Analisando o gráfico (Figura 11) e a tabela (Tabela 2), fica relatado que temos um
resultado otimizado quando a vazão de líquido refrigerante é 10 l/min; ou seja a redução de
Vazão de Água Quente (L/min)
Vazão de Água Fria (L/min) 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00
Temperatura de Saída do Boiler (°C) 62,45 63,57 63,95 64,08 64,01 64,05 63,96 63,91 63,74 63,60
Temperatura de Entrada de Água Quente (°C) 61,45 62,63 63,06 63,26 63,23 63,27 63,20 63,16 63,01 62,89
Temperatura de Entrada de Água Fria (°C) 26,73 27,16 26,51 26,29 25,97 25,87 25,78 25,76 25,76 25,85
Temperatura de Saída de Água Quente (°C) 47,08 45,79 42,24 40,00 38,39 37,10 36,41 35,68 34,86 34,25
Temperatura de Saída de Água Fria (°C) 50,82 48,36 45,07 42,79 41,02 39,31 38,31 37,17 36,02 35,13
ΔT Água Quente (°C) 14,37 16,84 20,82 23,26 24,84 26,17 26,79 27,48 28,15 28,64
4,00
Medições Térmicas
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
0 2 4 6 8 10 12
ΔT
Águ
a Q
ue
nte
[°C
]
Vazão [L/min]
Fria descendo
16
temperatura do produto é eficiente e a produtividade está muito bem representada pelo modelo.
Sendo assim é a configuração que seria utilizada como padrão para a produção do equipamento.
5.1.2. Água Fria Ascendente
Como o embasamento do trabalho é experimentar o projeto e otimizar sua configuração,
foi proposta uma nova configuração de montagem, na qual o sentido da água fria é ascendente e
a quente descendente. Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 : Medições térmicas para água fria atuando a contra a gravidade
A Figura 12 mostra os resultados apresentado quando a água fria atua contra a gravidade.
Figura 12 : Variação da temperatura para diferentes vazões com água fria
ascendente.
Vazão de Água Quente (L/min) 2,00
Vazão de Água Fria (L/min) 1,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 10,00
Temperatura na Saída do Boiler (°C) 60,94 60,30 61,12 61,18 61,33 61,37 61,37 61,43
Temperatura de Entrada de Água Quente (°C) 60,27 59,47 60,52 60,61 60,77 60,82 60,84 60,18
Temperatura de Entrada de Agua Fria (°C) 27,60 27,67 27,15 26,02 25,81 25,70 25,59 25,63
Temperatura de Saída de Água Quente (°C) 53,26 47,99 42,62 38,79 36,72 35,37 34,15 30,61
Temperatura de Saída de Água Fria (°C) 54,31 51,25 46,48 41,29 38,38 36,44 34,78 30,64
ΔT Água Quente (°C) 7,01 11,48 17,90 21,82 24,05 25,45 26,69 29,57
4,00
Medições Térmicas
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8
ΔT
Ág
ua Q
uen
te [°C
]
Vazão [L/min]
17
Através dos valores obtidos pela nova configuração de projeto, se verifica que os
resultados obtidos não foram superiores a configuração apresentada no item 5.1.1, sendo que
desse modo conclui-se que a configuração apresentada no item anterior com água descendente é
a de projeto otimizado, retratando a grande facilidade de mensurar e confirmar resultados quando
temos um protótipo instrumentando para medições. Fica assim evidenciada a importância do
modelo experimental, pois muitos cálculos complexos apresentam alta complexidade associada
se apenas modelos teóricos são considerados. Com os dados experimentais um modelo teórico
pode ser proposto com considerações relativas a fatores como vazões otimizadas e perda de
carga; levando a um modelo muito completo e condizente com a prática.
Foi testada também a configuração que remete à maior variação de temperatura possível,
que seria com o mínimo fluxo do produto do sistema (fluido a ser resfriado) e máxima vazão do
fluido refrigerante. Obviamente a Tabela 3 retrata esse maior resfriamento (vazão de água quente
2L/min), entretanto essa variação não se torna tão significativa quando o fator produtividade é
primordial na análise. Desse modo apesar da maior variação de temperatura, na prática a
configuração de montagem é desfavorável.
5.2. Escoamento paralelo
Para englobar todas as possíveis condições de montagem, foi instrumenta a configuração
de sistema com fluxos paralelos.
Tabela 4 : Medições térmicas para um escoamento paralelo dos fluidos
Conforme já esperado pelo embasamento teórico a variação de temperatura em uma
montagem paralela, denota resultados menos expressivos, sendo assim verificado o modelo
teórico por meio dos experimentos e escolhido como modelo de trabalho, a montagem contra-
corrente.
Vazão de Água Quente (L/min)
Vazão de Água Fria (L/min) 4 8 8 10
Temperatura na Saída do Boiler (°C) 61,01 62,34 62,40 62,36
Temperatura de Entrada de Água Quente (°C) 60,29 60,77 60,35 60,27
Temperatura de Entrada de Agua Fria (°C) 26,37 35,84 25,81 25,59
Temperatura de Saída de Água Quente (°C) 44,95 40,19 35,46 33,39
Temperatura de Saída de Água Fria (°C) 40,46 36,47 32,58 30,51
ΔT Água Quente (°C) 15,34 20,58 24,89 26,88
Medições Térmicas4 2
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5.3. Comparação do modelo físico com teórico
5.3.1. Escoamento contracorrente
Observando a Figura 13 abaixo, fica evidenciada a validação do modelo teórico e
experimental, quando se trata do desenvolvimento do campo de temperaturas. Torna-se
interessante destacar esse tipo de propriedade, pois é comumente vista na teoria e pode ser
constatada e validada pelo trabalho experimental.
Figura 13 : Desenvolvimento do campo de temperaturas para um escoamento
paralelo.
A figura 13 denota o mesmo tipo de gráfico esperado e comentado no embasamento
teórico, com a diferença que esse caso trata da redução de temperatura.
A linha branca representa o duto com fluido refrigerante; já a amarela é o produto de
trabalho a ser resfriado (mosto).
5.3.2. Escoamento paralelo
Semelhante ao item 5.3.1. na Figura 14 fica registrado pelo programa computacional, o
desenvolvimento do campo de temperaturas, agora para uma configuração de escoamento
paralelo, validando assim o método construtivo e verificando novamente os aspectos teóricos.
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Figura 14 : Desenvolvimento do campo de temperaturas para um escoamento
paralelo.
5.3.3. Incerteza de medição nas temperaturas da bancada
Os termopares utilizados na canalização do laboratório são do tipo J, o que, de acordo com
o datasheet, apresenta faixa de medição de 0°C a 750°C com erro de 2.2°C ou 0.75% do valor
medido para o padrão, ou 1.1°C ou 0.4% do valor medido para o especial, utilizando-se o maior
valor. A instrumentação dos termopares no laboratório já estava instalada, assim eventuais erros
de montagens não são analisados nesse trabalho.
5.4. Medição da Vazão
Como medidor de vazão foi utilizado um vaso calibrado (balde) mostrado na Figura 15 em
conjunto com um cronômetro. Além disso, foi acoplado ao vaso um tubo de PVC no qual se
escoa a água fria proveniente da saída do trocador. Esse tubo tem a função de diminuir a
turbulência da água em altas vazões, desse modo, também é minimizado o erro na leitura.
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Figura 15 : Medidor de Vazão
Suas vantagens foram descritas no item 2.2, entretanto tem-se como desvantagem o fato de
depender de um operador humano, que causa erros aleatórios e sistemáticos de difícil definição.
O vaso foi calibrado a partir do rotâmetro tipo como referencia disponibilizado no
laboratório LETA. Fizeram-se então medidas de vazão para se obter o erro sistemático e o
aleatório de um dos integrantes do grupo.
As incertezas de medição podem ser atribuídas vários fatores, tais como:
a) O número de casas decimais do cronômetro fornecido.
b) O erro de paralaxe na medida no vaso calibrado.
c) O erro de paralaxe na medida obtida no rotâmetro.
d) O atraso no reflexo do operador do cronômetro.
e) A calibração do vaso em relação ao vaso tido como padrão.
f) A calibração do vaso tido como padrão.
Tomou-se o máximo cuidado para que os erros devido aos parâmetros (b), (c) e (e) fossem
minimizados, de tal forma que os consideramos desprezíveis. O erro devido a (d) é com certeza o
de maior influência. Pesquisou-se na literatura o tempo de resposta médio do ser humano, e
encontrou-se que este é de aproximadamente 190 [ms] para humanos saudáveis. Assim
buscamos tomar tempos de medidas maiores, de forma a minimizar os erros de acionamento e
parada do cronômetro. Na Tabela 5 é apresentada a medidas realizadas no laboratório para
diferentes vazões de referência (tida como o rotâmetro) e os erros apresentados.
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Tabela 5 : Erros de medida de vazão.
Pela tabela anterior nota-se que para vazões maiores o erro também cresce, já que as
medições são realizas de maneira mais rápida pelo operador. Ou seja, os erros de reflexo se
tornam mais significativos, além de turbulências do fluidos que atrapalham a correta visualização
da linha demarcada. Este erro poderia ser amenizado com a realização de mais medidas,
entretanto, isto acarreta um tempo maior do operador.
As vazões de saída remetem a um projeto em que a perda de carga, apesar da ênfase na
turbulência, foi de modo que promoveu resultados significativos, com vazões de saída
significativas para a funcionalidade do sistema e o tipo de bomba e boiler instrumentados no
laboratório.
Tem-se assim um projeto com otimizada redução de temperatura, e vazão coerente com o
esperado na prática; desse modo tem-se um protótipo bastante interessante, resultando em ótimo
resultado físico e produtividade, com um custo baixo custo associado para a realização do
processo. Desse modo o projeto é aceito, e configurado com vazão de cerca de 10L/min de fluido
refrigerante e cerca de 6L/min de mosto resfriado, com reduções de temperatura na ordem de
27⁰C.
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6. CONCLUSÕES
O trocador de calor projetado, instrumentado e desenvolvido remeteu a resultados muito
satisfatórios. Todas as condições iniciais de restrição foram respeitadas, como por exemplo o
fator econômico (R$ 111,25); versatilidade no posicionamento com geometria moldável aos
espaços no ambiente; bom isolamento, vedação e considerável redução de temperatura.
O embasamento teórico foi verificado em todos seus aspectos, tanto em desenvolvimento
do equacionamento, quanto na plotagem de gráficos de desenvolvimento do campo de
temperaturas e transferência de calor
O modelo de ampla turbulência (tubos aletados e mangueira irregular) levou a uma
configuração otimizada com vazão de fluido refrigerante de cerca de 10L/min e de produto
(mosto) de cerca de 6L/min. Essa configuração leva a uma boa redução de temperatura
(aproximadamente 30⁰C), com produtividade elevada e com perdas de carga aceitáveis. Desse
modo é a considerada como a configuração ideal de operação do projeto e recomendada para a
manufatura do protótipo. Para o teste realizado visando a comparação de protótipos o resultado
para vazões de 3L/min tanto de água quente, quanto para água fria remeteu a uma redução de
cerca de 19⁰C, obtendo assim a melhor eficiência dos protótipos comparados e analisados.
A medição das vazões foram feitas por um modelo muito simples (tanque aferido), com a
calibragem de um recipiente medidor, reproduzindo com incertezas associadas reduzidas os
resultados observados nos rotâmetros do laboratório. Para tanto foi utilizado um recipiente e
calibrado utilizando tubos de béquer com escala calibrada para projetos químicos como
referencia, denotando uma ótima calibração. Foi acoplado um tubo de pvc por onde escoa a água
proveniente da saída do trocador, que tem função de diminuir a turbulência em altas vazão,
minimizando o erro na leitura.
O sentido dos fluxos é outro fator de grande influência na redução de temperatura;
escoamentos contracorrente resultaram em variações de temperatura superiores a 3⁰C quando
comparados aos fluxos paralelos; sendo assim verificado outro aspecto teórico pelo experimento.
Os materiais utilizados na fabricação do trocador também têm ampla influência nos resultados
obtidos, por isso o tubo com o mosto foi feito de cobre, por suas elevadas propriedades de troca
de calor (resfriamento do líquido).
Desse modo, a análise global do trabalho leva a conclusão de que a instrumentação do
protótipo do trocador de calor, visando a obtenção de dados experimentais, contribui muito na
otimização do projeto. Os resultados mensurados pelos equipamentos remetem a aspectos do
processo para atuar nos pontos críticos, aonde muitas vezes o equacionamento se torna bastante
complexo. Resultados experimentais podem ser utilizados como condição de contorno em
modelos teóricos; de modo a com métodos iterativos chegar a soluções com menos tempo de
iteração, pela proximidade ao valor real e estabilidade do sistema.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Pasteurização PZ501-001, Universidade Federal do Paraná, Curitiba.
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acessado em 01 de dezembro de 2011.
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pasteurização em cerveja envasada (in-package). Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
Porto Alegre.
INCROPERA, F. P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York:
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acessado em 11 de dezembro de 2011.
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Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre.
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Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Trocadores de calor, http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/nut.htm acessado
em 10 de dezembro de 2011.
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ANEXOS
ANEXO A – Folha de Avaliação
