UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA QUÍMICA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA III

PROF.: FABIO ALEJANDRO CARVAJAL FLOREZ

Jessica Prado Ramos Marinho

Luciano Da Costa Pereira

Marta Emilia Pereira Louzeiro

Yuri Da Silva Pereira

TROCADOR DE CALOR DE PLACAS

São Luís - MA

2016

Jessica Prado Ramos Marinho

Luciano Da Costa Pereira

Marta Emilia Pereira Louzeiro

Yuri Da Silva Pereira

TROCADOR DE CALOR DE PLACAS

São Luís - MA

2016

Relatório apresentado como requisito

para obtenção da nota parcial, da

disciplina Laboratório de Engenharia

Química III do curso de Engenharia

Química da Universidade Federal do

Maranhão.

Prof. Fabio Alejandro

SUMÁRIO1 INTRODUÇÃO4

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA42.1Transferência de Calor4

2.2 Trocadores de Calor5

2.3 Classificação dos trocadores de calor5

2.3.1 Trocador Casco e Tubo6

2.3.2 Trocador tipo placa6

2.4 Coeficiente global de troca de calor

2.5 Média logarítmica das diferenças de temperatura – MLDT8

2.6 O método da efetividade - NUT9

3 OBJETIVO GERAL 104 MATERIAIS E MÉTODOS10

4.1 Materiais e Equipamentos0

4.2 Procedimento Experimental1

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO25.1 Resultados3

5.2 Discussão7

6 CONCLUSÃO23

REFERÊNCIAS23

3

1 INTRODUÇÃO

Transferência de calor ou calor é a energia térmica em trânsito devido a uma

diferença de temperaturas no meio. O processo de troca de calor entre dois fluidos que

estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por um meio sólido ocorre em

um trocador de calor, que pode ser classificado de acordo com a natureza da

transferência e ao tipo de construção. (BIRD, 2004)

Quando se classifica os trocadores de calor de acordo com a natureza da

transferência, têm-se trocadores de contato direto e de contato indireto. Nos trocadores

de calor de contato direto, os dois fluidos se misturam, já nos trocadores de calor de

contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente

através de uma parede, pela qual se realiza a transferência de calor. (INCROPERA,

2008)

Um tipo de trocador de contato indireto é o trocador de calor de placas, que é uma

unidade de transferência de calor constituída de placas. Elas servem como superfícies de

transferência de calor montadas em uma estrutura rígida que criam canais de fluxo

paralelos para a passagem de líquidos e gases. (INCROPERA, 2008)

Os trocadores de calor são equipamentos de extrema importância para a

engenharia. Foram desenvolvidos muitos tipos de trocadores de calor para diversos

campos da indústria, como usinas elétricas, usinas de processamento químico, ou em

aquecimento e condicionamento de ar. Existem também aplicações domésticas bastantes

comuns como em geladeiras e ar condicionados.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1Transferência de Calor

Transferência de calor é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de

temperaturas no meio. Os modos de transferência de calor são a condução, a convecção

e a radiação térmica. (BIRD, 2004)

A condução ocorre quando há uma diferença de temperatura em um meio

estacionário, que pode ser sólido ou fluido, ocorrendo, então, a transferência de energia

das partículas com mais energia para as demais. Já a convecção, se refere à transferência

de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento, quando eles

4

possuem diferentes temperaturas. E, a radiação térmica é a emissão de energia pela

matéria que se encontra a uma temperatura diferente de zero, estando essa matéria no

estado sólido, líquido ou gasoso. (INCROPERA, 2008)

2.2 Trocadores de Calor

O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas

e se encontram separados por um meio sólido ocorre em muitas aplicações de

engenharia. O equipamento utilizado para executar essa operação é denominado

trocador de calor, e possui vastas aplicações que vão desde o aquecimento de ambientes

e no condicionamento de ar, até o processamento químico. (INCROPERA, 2008)

2.3 Classificação dos trocadores de calor

Os trocadores de calor podem ser classificados em função da configuração do

escoamento, podendo esse ser em paralelo, em contracorrente ou cruzado. No

escoamento paralelo, os fluidos entram pela mesma extremidade, fluem no mesmo

sentido e deixam o equipamento na mesma extremidade. Já na configuração

contracorrente, os fluidos entram por extremidades opostas, escoam em sentidos opostos

e deixam o equipamento em extremidades opostas. E, finalmente, no escoamento

cruzado, os fluidos se movem perpendicularmente um ao outro. (INCROPERA, 2008)

Outra classificação envolve a natureza de transferência de energia e as

características de construção dos trocadores. Em relação à natureza de transferência,

podem ser classificados como contato direto e indireto. Em um trocador de contato

direto, os dois fluidos se misturam e o fluido de maior temperatura cede calor para o

fluido de menor temperatura. Quando esse tipo de trocador é utilizado, há, além da

transferência de calor, transferência de 6 massa. Logo, são limitadas aos casos onde um

contato direto de dois fluxos é permissível, sendo um exemplo de aplicação torres de

resfriamento. (FILHO, 2003)

Em trocadores de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é

transferido continuamente através de uma parede. Eles são subdivididos em trocadores

de transferência direta e trocadores de armazenamento. Nos trocadores de transferência

direta, há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através da parede que os

separa. Podem ser citados os trocadores de placa, os tubulares e os de superfície

estendida como exemplos. E, nos trocadores de armazenamento, ambos os fluidos

5

percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor e a superfície de

troca de calor é denominada matriz. Esse trocador também é conhecido como

regenerador. (FILHO, 2003)

Quanto à classificação em função da característica de construção, os trocadores de

calor podem ser divididos em trocadores tubulares, tipo placas, de superfície estendida e

regenerativos, sendo os mais empregados os dois primeiros. Os trocadores tubulares são

geralmente construídos com tubos circulares e são aplicados em transferências de calor

do tipo líquido/ líquido e de gás/gás, principalmente quando pressões e/ou temperaturas

operacionais são muito altas, onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Esses

trocadores podem ser classificados como carcaça e tubo, tubo duplo e de espiral.

(GENEROSO, 2012)

2.3.1 Trocador Casco e Tubo

Este tipo de trocador tubular é constituído de alguns tubos e uma carcaça. Um dos

fluidos passa por dentro dos tubos e o outro passa pelo espaço entre a carcaça e os

tubos. Existem vários modelos desses trocadores, que variam de acordo com a

transferência de calor desejada, o desempenho, facilidade de limpeza, entre outros. Esse

trocador permite também a instalação de chicanas. Elas aumentam o coeficiente

convectivo no fluido do lado do casco, causando assim turbulência e um componente de

velocidade na direção do escoamento cruzado. Além disso, as chicanas apóiam

fisicamente os tubos, provocando a redução da vibração dos tubos induzida pelo

escoamento. (INCROPERA, 2008)

Há uma padronização na distribuição dos tubos, e a sua quantidade é determinada

pela capacidade de ser alocado em um diâmetro pré-determinado.Há também

padronização no que se refere ao espaçamento entre as chicanas. Sua redução resulta ao

aumento do coeficiente de troca de calor do lado do casco [2,4]. Este tipo de trocador é

muito usado pois ele comporta uma grande variedade de capacidades e condições

operacionais, por exemplo, altas pressão e temperatura, fluidos corrosivos, viscosos etc.

Além disso, podem ser feitos de uma variedade de materiais e são extensivamente

usados em processos industriais. (FILHO, 2003)

2.3.2 Trocador tipo placa

6

Consiste em um suporte onde placas independentes de metal, sustentadas por

barras, são presas por compressão, entre uma extremidade móvel e outra fixa. Entre

placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos escoam. Esse trocador não

suporta pressões muito altas, se comparado ao trocador tubular equivalente. (FILHO,

2003)

Foi implementado nas indústrias nos anos 30, no ramo alimentício, devido a sua

facilidade de limpeza. Além disso, ele traz outras vantagens, como facilidade de acesso

a superfície de troca e substituição de placas, flexibilidade de alteração da área de troca

térmica, fornecimento de grandes áreas de troca ocupando pouco espaço, operação com

mais de dois fluidos, elevados coeficientes de transferência de calor, redução da

incrustação, entre outros. (GENEROSO, 2012).

2.4 Coeficiente global de troca de calor

Na transferência de calor, o coeficiente global de troca de calor, U, é apresentado

como uma maneira de sistematizar as diferentes resistências térmicas equivalentes

existentes num processo de troca de calor entre duas ou mais correntes de fluido. Ele é

definido por uma expressão análoga à Lei de resfriamento de Newton, utilizando a

Equação (1):

q=U . As . ∆ T (1)

Onde:

q é taxa de transferência de calor;

U é o coeficiente global de transferência de calor

As é área de troca térmica;

∆ T é diferença entre a temperatura da superfície exposta e a temperatura do

fluido.

U também pode ser relacionado à resistência térmica total, e essa relação é

expressa pela equação (2):

U= 1Rtot−A (2)

7

Onde:

Rtot é a resistência térmica total;

A é a área onde ocorre a transferência.

Ao longo da operação de trocadores de calor, as superfícies estão sujeitas à

deposição de impurezas dos fluidos, à formação de fuligem ou a outras reações entre o

fluido e a parede. A formação de um filme, ou biofilme, ou de incrustações sobre a

superfície pode aumentar a resistência à transferência de calor entre os fluidos. Esse

efeito é considerado nos cálculos através da introdução de uma resistência térmica

adicional, o fator de deposição, Rd. Seu valor depende da temperatura de operação, da

velocidade de fluido e do tempo de serviço do trocador de calor.

Além disso, podem ser adicionadas aletas que, ao aumentarem a área superficial,

reduzem a resistência térmica à transferência de calor por convecção. Assim com a

adição do fator de deposição e das aletas, o coeficiente global de troca de calor pode ser

calculado pela Equação (3):

1U . A

= 1UfAf

= 1UqAq

= 1(ηo . h. A ) f

+ R df over left (ηo.A right ) f +Rp+ R dq(ηo . A )q

+ 1(ηo .h . A )q

(3)

Onde:

Rp é a resistência condutiva da parede;

ηo é a eficiência global da superfície ou efetividade da temperatura de uma

superfície aletada.

2.5 Média logarítmica das diferenças de temperatura – MLDT

Para projetar ou prever o desempenho de um trocador de calor é essencial

relacionar a taxa total de transferência de calor com as temperaturas de entrada e saída

dos fluidos, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total

disponível para a transferência de calor. Ao fazer os balanços globais de energia nos

fluidos quente e frio, e, considerando, que os fluidos não passam por uma mudança de

fase e os calores específicos são constantes, a taxa de transferência de calor, para os

fluidos quente e frio, é dada pelas Equações (4) e (5), respectivamente:

8

As temperaturas que aparecem nas expressões se referem às temperaturas das

médias dos fluidos.

Essas equações são independentes da configuração do escoamento e do tipo de

trocador de calor.

A Equação (6) pode ser obtida pela relação entre a taxa de transferência de calor

total q, ao coeficiente global de troca de calor, U, e à diferença de temperaturas,∆ T ,

entre os fluidos quente e frio, que varia de acordo com a posição no trocador de calor:

2.6 O método da efetividade - NUT

Quando não são conhecidas as temperaturas dos fluidos de saída num trocador de

calor, o uso do método MLDT é complicado. Então, é necessário utilizar um

procedimento alternativo, conhecido como método da efetividade (NUT).

Para definir a efetividade de um trocador de calor, primeiro determina-se a taxa de

transferência de calor máxima possível de um trocador, qmax, representada pela

equação (7):

(7)

Onde Cmin é a menor capacidade calorífica entre os fluidos quente e frio.

Naturalmente, o fluido que tiver maior C vai sofrer a menor variação de

temperaturas entre sua entrada e saída, logo é necessária a utilização de Cmin nos

cálculos.

A efetividade é, então, definida como a razão entre a taxa de transferência de calor

real em um trocador de calor pela máxima troca de calor possível em igualdade de

condições. Essa relação é apresentada pela equação (8):

9

qqmax

=ε (8)

Por definição, a efetividade, que é adimensional, está no intervalo 0 ≤ ε ≤1.

O número de unidades de transferência, NUT, é um parâmetro

adimensional amplamente utilizado na análise de trocadores de calor e sua definição é

simplificada por algumas considerações: regime permanente; calores específicos

independentes da temperatura; escoamento totalmente desenvolvido para que o

coeficiente global de troca térmica não seja função da posição. Relacionando a NUT

com a troca térmica:

(9)

3 OBJETIVO GERAL

Determinar o coeficiente global de troca de calor térmica em um trocador de calor

de placas, que é medida do desempenho do trocador de calor e a transição do regime de

escoamento de laminar para o turbulento.

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Materiais e Equipamentos

Figura 1. Trocador de Calor a placas.

10

• Trocador de calor de placas confeccionado em aço inoxidável, com medidores

de temperatura na entrada e saída dos fluidos quente e frio;

• Tanque de pulmão com resistência elétrica para armazenamento de água quente;

• Bomba para a circulação de fluido quente;

• Painel de aquisição de dados;

• Tubulações, válvulas e mangueiras.

Figura 2. Modelo de trocador de calor de placa

4.2 Procedimento Experimental

Antes de começar o experimento, será necessário checar se todos os equipamentos

estão em devidas condições. Como a energia fornecida ao sistema é relativamente baixa

em relação ao volume de liquido a ser aquecido, serão necessárias algumas horas para

que o sistema realmente tenha significantes variações de temperatura. (aqui da para

colocar sobre ligar a parte que esquenta a água antes de começar o experimento)

Ao ligar todos os equipamentos, checar o posicionamento das válvulas (aberta ou

fechada) para que não haja nenhum aumento de pressão em alguma linha. Abaixo segue

os passos do experimento:

11

1. Predeterminar três vazões para sistema de água quente, delimitando em

nível baixo (VQ1), médio (VQ2) e alto (VQ3);

2. Predeterminar três vazões para sistema de água fria, delimitando em nível

baixo (VF1), médio (VF2) e alto (VF3);

3. Preencher tabela 1 com todos os valores das vazões, tanto as de água fria

com as de água quente;

4. Abrir válvula de água fria e controlar a vazão com o uso do rotâmetro. A

válvula será ajustada até que tenhamos a vazão VQ1;

5. Abrir válvula de água quente e controlar a vazão com o uso do rotâmetro.

A válvula será ajustada até que tenhamos a vazão VF1;

6. Ao final de ter controlado as duas vazões (quente e fria), será necessário

esperar o sistema estabilizar;

7. Anotar os valores e após o sistema entrar em regime estacionário;

8. Repetir 8 vezes os passos 3,4,5 e 6, mas agora com as interações (VQ1 x

VF2), (VQ1 x VF3), (VQ1 x VF3), (VQ2 x VF1), (VQ2 x VF2), (VQ2 x VF3), (VQ3 x

VF1), (VQ3 x VF2) e (VQ3 x VF3);

9. Completar tabela 2 com todos os dados recolhidos;

VF1 600VF2 300VF3 200VQ1 100VQ2 200VQ3 350

Tabela 1- valores das vazões

VAZÕES(L/h)

ÁGUA FRIA ÁGUA QUENTE

FluidoQuente

FluidoFrio

Te(°C) Ts(°C) Te(°C) Ts(°C)

600

100 27,9 37,7 60,9 57,3

200 27,9 37,9 60,0 54,7

350 28,2 45,3 58,1 50,1

300

100 27,9 32,1 57,5 51,5

200 27,9 35,6 57,0 48,1

12

350 28,2 43,3 55,8 43,0

200

100 27,9 31,7 55,2 48,1

200 28,0 35,4 55,0 43,8

350 28,1 41,8 54,1 39,6

Tabela 2 - Dados obtidos

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Resultados

Conforme observado na tabela 3, temos os dados da temperatura de entrada e

saída do liquido quente e frio, ambos a água. Com a aplicação da equação 4 e 5,

estimou-se o calor absorvido e cedido pelo fluido frio e quente respectivamente, Qfrio e

Qquente. Para fins práticos, a vazão foi convertida para vazão mássica, assim como a taxa

de transferência de calor foi calculada em watts, ambas unidades do SI.

Vazões (kg/s) Água Fria Água QuenteTFrio

(ºC)

TQuente

(ºC)Qfrio

(W)Qquente

(W)Água

Quente

Água

friaTe(°C)

Ts(°C

)Te(°C) Ts(°C)

0,1663

0,0277 27,9 37,7 60,9 57,3 9,8 3,6 1135,1 2501,8

0,0554 27,9 37,9 60 54,7 10 5,3 2316,5 3683,2

0,0970 28,2 45,3 58,1 50,1 17,1 8 6932,0 5559,5

0,0832

0,0277 27,9 32,1 57,5 51,5 4,2 6 486,5 2084,8

0,0554 27,9 35,6 57 48,1 7,7 8,9 1783,7 3092,5

0,0970 28,2 43,3 55,8 43 15,1 12,8 6121,3 4447,6

0,0554

0,0277 27,9 31,7 55,2 48,1 3,8 7,1 440,1 1644,7

0,0554 28 35,4 55 43,8 7,4 11,2 1714,2 2594,4

0,0970 28,1 41,8 54,1 39,6 13,7 14,5 5553,7 3358,9

Tabela 3 – Dados da temperatura de entrada e saída para diferentes vazões e suas

variações de temperatura e taxa de transferência dos fluidos.

Observa-se uma disparidade entre o previsto pela literatura e o obtido

experimentalmente, pois há uma grande discrepância entre o calor cedido pelo fluido

quente e o absorvido pelo fluido frio, pois como trata-se de um trocador de calor, onde o

13

fluido frio e o quente são o mesmo, a água, o calor perdido pelo fluido quente deveria

ser absorvido pelo fluido frio, e, portanto, ambos deveria sofrer uma variação de

temperatura proporcional, assim como quantidade de calor recebida e cedida

aproximadamente igual, o que não ocorre em todos os casos. Existem diversas

possibilidades que justificam essas possíveis disparidades, uma delas é a consideração

do calor especifico da agua como sendo constante para a faixa de temperatura

trabalhada, ressalva-se também que sempre existe a possibilidade de erros

experimentais e de medições, pôs tratando-se de um equipamento antigo, pode-se

considerar que o termostato pode estar com problemas e não ter realizado a medida de

temperatura com a devida exatidão. Também considera-se a possibilidade de

incrustações, que reduzem a eficiência do trocador, ou seja, nem todo o calor perdidos

pelo fluido quente seria absorvido pela fluido frio, ou mesmo a possibilidade de perda

de calor para o ambiente, o que também reduziria significativamente a eficiência, já que

o sistema não é perfeitamente isolante do meio externo.

Para a determinação do coeficiente global da taxa de transferência de calor foi

necessário calcular a área de troca térmica, para isso utilizou-se as medidas do

equipamento obtidas no catálogo disponibilizado no site do fabricant.

Placas Área (m2)

Altura(m) 0,3109

3,76065

Largura(m) 0,112

Espessura(m) 0,001

Tabela 5 – Dados do fabricante do trocador de calor

O calor perdido pelo fluido quente e o calor absorvido pelo fluido frio conforme

mostrada na tabela 3, e citado anteriormente, foram determinados usando a equação 4 e

5. Em seguida calculou-se uma média dos dois valores como sendo o valor

representativo do calor trocado entre os fluidos. Calculou-se a média logarítmica da

temperatura utilizando a equação 12, e por últimos, com o dado da área de contato entre

os fluidos, ou seja, a área de todas as placas do trocador de calor, nesse caso, igual a

3,76065 m², podemos determinar utilizando a equação 15, o coeficiente global de troca

de calor.

14

VAZÕES (KG/S)TFRIO

(ºC)TQUENTE

(ºC) TMLQFRIO

(W)QQUENTE

(W)Q

(W)UEXPERI

(W/M2K)ÁGUA QUENTE Água fria

0,16630,0277 9,8 3,6 26,2 1135,1 2501,8 1818 18,50,0554 10 5,3 24,4 2316,5 3683,2 3000 32,70,097 17,1 8 16,9 6932 5559,5 6246 98,0

0,08320,0277 4,2 6 24,5 486,5 2084,8 1286 14,00,0554 7,7 8,9 20,8 1783,7 3092,5 2438 31,20,097 15,1 12,8 13,6 6121,3 4447,6 5284 103,2

0,05540,0277 3,8 7,1 21,8 440,1 1644,7 1042 12,70,0554 7,4 11,2 17,6 1714,2 2594,4 2154 32,50,097 13,7 14,5 11,9 5553,7 3358,9 4456 99,6

Tabela 6 - Cálculo do coeficiente global de transferência de calor

A variação do coeficiente global de transferência de calor, para uma mesma

vazão, cresce com o aumento dessa vazão e decresce com a diminuição dessa vazão. Ou

seja, quanto maior a vazão seja do fluido frio ou do fluido quente, ocasiona maior

turbulência que faz com que aumente a transferência de calor entre os fluidos. Essa

variação devido a alteração da vazão se faz notar fortemente. Isso é coerente porque o

aumento da velocidade implica uma melhora na transferência de calor por convecção.

Avaliou-se a eficiência do sistema, calculando a efetividade pelo método do NTU,

utilizando conforme cita a literatura, a equação 16. Obteve-se os seguintes resultados,

conforme mostrado na tabela a seguir.

VAZÕES (kg/s) ε

Fluido

Quente

Fluido

frio

0,166 0,028 0,4760,166 0,055 0,4030,166 0,097 0,5150,083 0,028 0,3750,083 0,055 0,3620,083 0,097 0,5510,055 0,028 0,1650,055 0,055 0,3440,055 0,097 0,740

Tabela 7 – Valores da efetividade para cada valor de vazão de fluido frio e quente.

Para demostrar de forma mais clara, plotamos os gráficos a seguir, de efetividade

em função das vazões, primeiramente, no gráfico 1, mantendo a vazão do fluido quente

15

e variando apenas a vazão do fluido frio. No gráfico 2, mantendo constante o valor da

vazão do fluido frio e variando apenas a vazão do fluido quente verificou-se como a

efetividade se altera com o mesmo.

0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100 0.1100.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

Vazao do Fluido Frio (Kg/s)

ε

Gráfico 1 – Comportamento da efetividade com o aumento da vazão do fluido frio.

Observa-se que no gráfico acima a efetividade cresce linearmente com o aumento

da vazão do fluido frio, observa-se que essa linearidade é notada mais claramente para

quando a vazão do fluido quente está a baixas vazões, no caso em especifico a vazão do

fixa do fluido quente foi de 0,055 kg/s.

Em seguida vamos verificou-se, através do gráfico 2 o comportamento da

efetividade quando manteve-se a vazão do fluido frio constante e varia a vazão do fluido

quente.

16

0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.1800.310

0.320

0.330

0.340

0.350

0.360

0.370

0.380

0.390

0.400

0.410

Vazao do Fluido Quente (kg/s)

ε

Gráfico 2 – Comportamento da efetividade com o aumento da vazão do fluido quente.

Observa-se o mesmo tipo de comportamento que o anterior, ou seja, a efetividade

aumenta quando aumentamos a vazão do fuido quente. Observa-se então que o

crescimento da vazão dos fluidos, ambos, quentes e frio, influencia positivamente na

efetividade. Embora algum dado na tabela esteja em discrepância com essa tendência,

podemos estimar que trata-se de erros experimentais.

5.2 Discussão

1) O grupo deverá definir uma aplicação industrial de troca térmica,

contextualizando em um determinado processo químico, a qual utilizara agua

como fluido frio.

Trocadores de calor são largamente usados na indústria tanto para resfriamento e

aquecimento em larga escala em processos industriais.

Na Indústria de vinhos e cervejarias o trocador é utilizado para diminuir a

temperatura do mosto para que esteja adequado para início da fermentação. 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. O rápido resfriamento

do mosto após o cozimento faz parte do processo, devendo sua temperatura ficar

17

próxima a temperatura ambiente. O trocador de calor utilizado nesse processo, utiliza

agua como liquido frio, para a finalidade da produção da cerveja, ele é chamado de

pasteurizador.

2) Analise crítica do experimento, com sugestões de possíveis melhorias

e principalmente uma análise de todas as fontes de erros experimentais que o

grupo julgar importante e significativas, com uma projeção das variáveis que mais

influência nos cálculos das grandezas desejadas.

Alguns dos problemas mais comuns dos trocadores de calor, problema esse que

pode reduzir drasticamente sua eficiência, são as incrustações. Esse problema é mais

frequente quando se usa água rica em detritos biológicos, que pode se

vincular/precipitas as placas do trocador de calor, formando camadas, diminuindo os

coeficientes de transferência térmica. Esse problema pode existir mesmo utilizando

fluidos isentos de detritos ou qualquer outro tipo de sujeira, pois a agua é uma

substancia que pode potencializar a corrosão dos materiais, placas e etc do trocador.

Outro problema comum é o "tártaro", ou incrustação calcária, que é composto de

camadas depositadas de compostos químicos, como carbonato de cálcio ou carbonato de

magnésio, relacionados com a dureza da água. As precipitações dessas impurezas

podem ser causadas pelo uso frequente do trocador de calor, ausência de limpeza do

mesmo, redução da velocidade dos fluidos movendo-se através do trocado de calor,

superdimensionamento do trocador de calor.

Efeitos de incrustação são mais abundantes nos tubos quentes dos trocadores de

calor que em tubos frios. Isto é causado porque impurezas são menos facilmente

dissolvidas num fluido frio. Isto é porque, para a maioria das substâncias, a solubilidade

aumenta quando a temperatura aumenta

É importante que sempre haja manutenção nesses trocadores de calor

Trocadores de calor de placas precisam ser desmontados e limpos periodicamente.

Alguns tipos de trocadores de calor podem ser limpos por métodos tais como a limpeza

ácida, jateamento, jato de água de alta pressão, limpeza por bala, ou por hastes. é

importante que a agua utilizada seja destilada de forma a reduzir os problemas de

incrustações.

18

Entre as variáveis que mais influência nos cálculos das grandezas desejadas,

podemos destacar as variáveis intrínsecas da configuração do trocador de calor, tais

como as áreas das placas, a espessura das placas, a condutividade das placas e número

de placas. Vale ressaltar que as condições de escoamento, laminar ou turbulento,

também altera a eficiência ou capacidade do trocador de calor, essa condição pode ser

avaliada alterando a vazão volumétrica testada no trocador.

3) Determinação dos coeficientes global de transferência de calor, os

parâmetros a e b para cálculo de Nu e a quantidade de calor trocada.

O comportamento térmico de um trocador de calor de placas pode ser modelado

pelas seguintes equações. Na qual Q é a carga térmica, U é o coeficiente global de

transferência de calor, A é a área de troca térmica,∆ T ml é média logarítmica de

temperaturas e Ft é o fator de correção da média logarítmica de temperaturas.

Qmed=A ×U × ∆ Tml × Ft (10)

A carga térmica do trocador é determinada experimentalmente, por meio do

balanço de energia das correntes. A média logarítmica de temperaturas também é

determinada experimentalmente, através dos valores das temperaturas de entrada e de

saída das correntes. A área de troca térmica é conhecida e o fator de correção da média

logarítmica foi especificado pelo fabricante na configuração empregada. Desse modo,

através da Equação 10, determina-se o coeficiente global de troca térmica U do

trocador. Para um trocador sem incrustações, esse coeficiente é uma função das

resistências convectivas dos fluidos e condutiva da placa, como escrito na Equação 11,

na qual hq e hf são os coeficientes convectivos dos fluidos nos dois lados dos canais, L

é a espessura da placa e k é sua condutividade térmica.

U= 1hq

+ 1h f

+ Lk (11)

Aonde,∆ T ml é determinado da seguinte maneira:

(12)

19

Os coeficientes convectivos são uma função das características de escoamento e

de propriedades termodinâmicas e de transporte dos fluidos. Como se trata de um

trocador água / água, se forem mantidas as mesmas condições de vazão para a corrente

quente e a fria, os coeficientes hq e hf serão próximos entre si, já que se trata de uma

geometria semelhante no escoamento. Uma das propostas desse trabalho é avaliar esses

coeficientes, através de uma correlação como aquela indicada na Equação 12. Nessa

equação, Nu é o número de Nusselt, Re o número de Reynolds e Pr o número de

Prandtl. Os coeficientes , e são ajustados por meio dos resultados experimentais, e

nesse trabalho admitiu-se que seria igual a 1/3, valor esse encontrado em muitas

correlações apresentadas em literatura, usualmente utiliza-se os valores de 0,7 e 0,4

como sendo os valores de e , respectivamente.

Nu=12

hDk

=ℜ Pr (13)

Qmed= média aritmética entre a quantidade de calor transferida do produto e da

água de resfriamento

Qmed=Qfrio+Qquente

2 (14)

Portanto,

U =Qmed

A × ∆ Tml (15)

Calculando a efetividade (ε) e o número de unidades (de calor) transferidas (NUT)

O método da efetividade nos fornece:

20

ε=Qmed

Qmax (16)

Qmax=Cmin ×(Tqe−T fe) (17)

Qmed=Mp× Cp× ( Tqe−T qs )(18)

Calcula-se o Cmin para o fluido quente e para o fluido frio, sendo que o menor

valor encontrado, será o valor a ser utilizado no cálculo da efetividade e NUT.

Cmin=Mq×Cp (19)

4) Analise e discussão dos resultados obtidos e também comentários

sobre a influência da vazão do escoamento dos fluidos quente e frio.

As propriedades físicas de maior interesse na troca térmica são a condutibilidade

térmica, a densidade, a viscosidade e o calor específico. Elas influem, juntamente com

algumas variáveis geométricas e de operação, decisivamente no desempenho de um

trocador de calor. Vale lembrar que os valores dessas propriedades variam em função da

temperatura que, por sua vez, se altera ao longo de um trocador de calor. Na maioria das

vezes, é aceitável como simplificação que se adotem os valores das propriedades à

temperatura média entre a entrada e a saída.

A vazão e, portanto, a velocidade de escoamento influi em quatro aspectos

fundamentais: a eficiência de troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de

sujeira.

Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a

intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de

energia. Consequentemente, a área do trocador necessária para uma dada carga térmica

será menor. Nesse aspecto, é desejável que a velocidade de escoamento seja alta.

Mas essa turbulência intensa também implica num atrito maior e uma perda de

carga maior, podendo até ultrapassar valores máximos admissíveis. Nesse aspecto, não é

desejável uma velocidade de escoamento exagerada.

21

Então, há um compromisso entre melhorar a eficiência de troca térmica sem

acarretar uma perda de carga excessiva. A busca desse compromisso constitui um dos

principais objetivos no projeto de um trocador de calor.

Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à erosão e ao

depósito de sólidos. Uma velocidade muito pequena pode favorecer o depósito de

sujeira e a dificuldade da sua remoção. Por outro lado, uma velocidade exageradamente

alta pode acarretar uma erosão intensa; se o fluido é corrosivo ou contém sólidos em

suspensão, o efeito será mais danoso ainda. Então, de novo, a velocidade de escoamento

não pode ser nem muito alta nem muito baixa.

Há, na literatura, faixas de valores práticos, recomendados para velocidade de

escoamento num trocador de calor:

6 CONCLUSÃO

O experimento empregado forneceu uma maneira de se calcular os fluxos de calor

em um trocador de calor de placas, entre outras variáveis. Contudo, por ser um

procedimento experimental, envolve incertezas que podem influenciar nos resultados

das grandezas estudadas. Entre as principais fontes de erros, estão aquelas relacionadas

a imprecisão durante a realização do procedimento experimental, tanto no que se refere

aos equipamentos utilizados ou leitura incorreta do observador.

Espera-se que os valores de calor cedido e calor recebido devem ser iguais. No

entanto, raramente se observa isso, o que pode ser explicado devido a erros

experimentais na medição das vazões ou devido à perda de calor para o ambiente.

Considera-se a quantidade de calor total transferida como sendo a média entre as

quantidades de calor cedida e recebida.

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Com este experimento verificou-se a taxa de transferência de calor em cada uma

das seções. Teoricamente este valor deverá ser igual ou bem próximo para todas as

etapas – aquecimento ou/e resfriamento. Observou-se que a efetividade é influenciada

positivamente com o aumento da vazão mássica dos fluidos.

REFERÊNCIAS

1. KREITH, F e BOHN, M. S. Princípios de transferência de calor. Thonsom Pioneira.

2. BEJAN, A. Transferência de calor. Edgard Blucher.

3. GHIZZE, A. Manual de trocadores de calor, vasos e tanques. IBRASA.

4. FOUST, A.S. et al. - Princípios das Operações Unitárias.

5. REINOLD, M. R. Manual Prático de Cervejaria. São Paulo: Aden Editora, 1997.

6. GUT, J.A.W., PINTO P.M., “Conhecendo os Trocadores de Calor a Placas”, Dep. de Eng. Química - Universidade de São Paulo. Disponível em: http://http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm . Acesso em 18 de jan de 2016.

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7. GANHIS, D. Apostila do CEFET/BA sobre trocadores de calor, do Professor Diógenes Ganhis.

8. INCROPERA; DEWITT; BERGMAN; LAVIN. Fundamentos da transferência de calor, Notre Dame, 2008.

9. R. BYRON BIRD; WARREN E. STEWART; EDWIN N. LIGHTFOOT. Fenômenos de Transporte. LTC, 2004.

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