ESTUDO DO PROCESSO DE PASTEURIZAÇÃO DO LEITE ATRAVÉS DE TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBOS E PLACAS

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1 ESTUDO DO PROCESSO DE PASTEURIZAÇÃO DO LEITE ATRAVÉS DE TROCADOR DE CALOR CASCO E TUBOS E PLACAS Gabrielle Tokie Sakaue, Rafaela Trindade Jardim 1 Mario Eusebio Torres Alvares 2 Universidade São Francisco rafaela.jardim@outlook.com 1 Aluno do Curso de Engenharia Química, Universidade São Francisco; Campus Swift 2 Professor Orientador Mário Eusébio Torres Alvares, Curso de Engenharia química, Universidade São Francisco; Campus Swift. Resumo. Neste trabalho foi realizado o estudo e comparação de trocadores de calor casco e tubo e de placas para determinar sua efetividade para o processo de pasteurização do leite. O projeto do trocador está baseado na modelagem de equações empíricas para a determinação do tamanho e capacidade de cada trocador de calor. O projeto foi dividido em duas etapas, aquecimento e resfriamento para cada trocador de calor, respeitando as exigências do processo de pasteurização, no qual exige que o fluido atinja certas temperaturas para a eliminação dos microorganismos e para que possa ser armazenado corretamente no fim do processo, também foram avaliados o tipo de corrente, número de peças para que o processo atinja sua máxima eficiência. Para que indústrias e profissionais do ramo adquiram a análise e implementem a melhor opção de equipamento na fabricação de seus produtos. Foram efetuados cálculos de balanço global de energia, viscosidade, vazão, condutividades térmica e área para se determinar o comprimento ideal para cada trocador, realizou-se a variação da temperatura de saída da água em cada processo e partir disso foi possível apontar a melhor escolha para o processo de pasteurização do leite. Palavras-chave: trocadores de calor, pasteurização, leite, transferência de calor. Introdução Nos dias de hoje existem várias classificações de leite, que pode ser definida conforme o método de fabricação do leite. O leite para o consumo humano é dividido em: ultrapasteurizado (UHT) e leite pasteurizado que se classifica em três tipos, sendo eles A, B e C, esta determinação é definido através da contagem de microrganismo presente no leite podendo ser integral, semidesnatado e desnatado. O tipo A é considerado o leite de melhor qualidade, pois o controle do processo é mais crítico em todas as etapas, sua ordenha é mecânica e não há contato manual com o produto, tem uma alta higienização no processo, além de ser embalado no momento da fabricação, com isso sua exposição a contaminação por microorganismos é menor em comparação as demais classificações de leite. O leite tipo B é desenvolvido tanto através da ordenha mecânica quanto do manual, as etapas do processo ocorrem além do local de fabricação, sendo exposto a um risco maior de contaminação. Já o leite tipo C é considerado o de menor qualidade, sua ordenha é completamente manual e não possui controle crítico ou controle higiênico nas etapas do processo, por isso, acaba tendo uma exposição maior com possíveis contaminações. Os leites dos tipos A e B apresentam 3% de gordura e o tipo C menor que 3%, razão pela qual está mais propício a adquirir contaminação. (WALSTRA et al., 2006) O processo de pasteurização é utilizado para eliminar os microrganismos patogênicos e a flora bacteriana, através do aumento da temperatura entre 72 C a 75 C e resfriado logo em

2 seguida. Existem dois tipos de pasteurização, a lenta e a rápida. A pasteurização lenta é mais utilizada em indústrias de pequeno porte, pois o processo exige um período mais extenso, podendo ser realizada em temperaturas altas e baixas. A pasteurização rápida é mais vantajosa para as indústrias de grande porte, pois apresentam maior custo-benefício, sendo o processo realizado em alta temperatura em um curto período de tempo. Neste processo o leite passa por uma troca térmica com a água, saindo há uma temperatura entre 72 C a 75 C durante 15 a 16 segundos, considerada como o aquecimento e a seguir o resfriamento com temperatura de 2 C a 4 C. (WALSTRA et al., 2006). Esta troca térmica entre os fluídos tanto no processo de aquecimento quanto no resfriamento pode ser realizada através de um equipamento conhecido como trocador de calor, que está presente em diversos processos industriais. Existem vários modelos de trocadores de calor, dependendo do processo envolvido, possui diferentes características em eficiência, estrutura, custo-benefício. Além disso, pode ser de correntes paralelas, contrárias ou cruzadas, no arranjo de correntes paralelas os fluídos quente e frio seguem um fluxo de mesma direção e de correntes contrárias, os fluídos movem em direção oposta, as correntes cruzadas são utilizadas em trocadores de calor aletados e não-aletados (INCROPERA E DEWITT, 2002). O trocador de placas é constituído por placas metálicas, laminado e prensado em um pedestal, a passagem dos fluídos acontecem através de um orifício nas placas. Existem três classes desses trocadores: espiral, lamela, circuito impresso e gaxeta, sendo a última classe mais conhecida e utilizada. Este trocador possui alto rendimento térmico, praticidade na limpeza do equipamento por ser completamente desmontável, possui alta turbulência auxiliando na redução de formação de incrustações. Porém não comporta altas pressões e a temperatura não pode ultrapassar de 150 C., por esta razão está mais propenso a perda de carga nos seus processos (KAKAC et. al, 2012).O trocador a placas consiste em um conjunto de placas finas de metal retangulares seladas nas bordas por gaxetas, essas gaxetas têm o objetivo de separar cada par de placas para formar os canais de escoamento por onde passam os fluidos quente e frio, sem que se encontrem. É um dos trocadores mais utilizados na área alimentícia, devido a sua eficiência em processos térmicos e sua fácil limpeza. (CAO, 2010) O trocador de calor casco e tubos é composto por um feixe de tubos, sobreposto por um casco cilíndrico, um dos fluidos circula externamente ao feixe e o outro escoa internamente. Seus componentes podem ser caracterizados por cabeçote de entrada, casco, feixe de tubos e cabeçote de saída ou retorno. Sua utilização industrial se resume em diversos processos, tais como resfriamento, vaporização, aquecimento e condensação de fluidos, pois possui benefícios em termos de fabricação, rendimento e baixo custo, além de possuir uma alta flexibilidade operacional. Pode atuar tanto em escoamento paralelo quanto contracorrente, sendo o contracorrente mais eficiente, devido ao fato de suportar maiores variações de temperatura. Os defletores e/ou chicanas estão presentes para garantir que o fluido passe por cada seção dos tubos, também são responsáveis por aumentar o coeficiente convectivo através da indução. (KAKAC et. al, 2012). Neste trabalho foi estudado a comparação da eficiência dos trocadores de casco e tubo e de placas. Foi desenvolvido uma modelagem matemática para os dois trocadores, dividindo cada trocador em duas etapas, de aquecimento e resfriamento. Trocador de Calor Casco e Tubo Para a projeção de um trocador de casco e tubo, primeiramente estabelece a quantidade de leite de produzida para determinação da vazão mássica do fluído. Para a definição da taxa de transferência de calor do leite é necessário especificar o calor específico através da porcentagem de água presente no mesmo e das temperaturas de entrada e saída. A taxa de calor presente no processo é considerada a mesma para ambos os fluídos.

3 O calor específico da água e a temperatura são variáveis para a determinação da vazão de água no processo que é utilizada para o cálculo do número de Reynolds Para a determinação do coeficiente global as principais variáveis a serem definidas são os coeficientes convectivos para cada fluido, esses coeficientes foram calculados através do número de Nusselt, variável dependente dos números de Reynolds (que determina o regime do escoamento) e o número de Prandtl que são estabelecidos pelas variáveis, viscosidade e condutividade térmica. O comprimento do trocador é determinado pelas variáveis do processo e condições de operação. Trocador de Calor a Placas A modelagem de um trocador a placas é similar ao de casco e tubo, as variáveis como taxa de transferências de calor, número de Nusselt, coeficientes convectivos e global são calculadas da mesma forma. Para a elaboração do cálculo de comprimento é fundamental especificar o número de canais, sendo essa variável introduzida na fórmula padrão. A espessura dos canais entre as placas, assim como a área total de transferência é pertencente ao cálculo do comprimento do trocador Metodologia / Parte Experimental Para o desenvolvimento da metodologia primeiramente foi definido as temperaturas de entrada e saída da água e do leite como pode ser observado na Tabela 1. Para o desenvolvimento dos cálculos, foi considerada uma média de temperatura para cada fluido, na etapa de aquecimento, foi utilizada a média das temperaturas de 67,5ºC para água e 54,5ºC para o leite. Para a etapa de resfriamento foi considerado as médias de temperaturas de 26ºC para água e 39,5ºC para o leite. Tabela 1 Temperaturas dos fluídos AQUECIMENTO TEMPERATURA ÁGUA LEITE ENTRADA 90ºC 34ºC SAÍDA 60ºC 75ºC ENTRADA RESFRIAMENTO 1ºC 75ºC SAÍDA 46ºC 4ºC

4 Determinação e cálculo do projeto dos trocadores de calor As equações demonstradas na Tabela 2 foram utilizadas para calcular a etapa de aquecimento e resfriamento para ambos os trocadores de calor. TABELA 2: Equações para modelagem do trocador de calor para cada fluído DADOS Capacidade específica (Cp) Viscosidade LEITE C P = X W (1) μ = [(0,9565 0, T + 0, T 2 ) + X f (0,4766 0,0114T + 0, T 2 )] 10 3 (2) Condutividade térmica (K) k = 0, T 538 T (3) Vazão mássica m L = C PL(T q T f ) q Ĺ (4) Taxa de transferência de calor Número de Reynolds Número de Prandtl Número de Nusselt DADOS q = m C P (T q T f ) Re = Pr = C Pμ k 4m π(d e + D i )μ Nu = 0,023R e 4 5 0,4 P r ÁGUA (5) (6) (7) (8) Capacidade específica (Cp) Viscosidade C P = 5, T 4 2, T 3 + 4,1758T 2 2,6171T ,1 (9) 1 = 21,482[(T 8, ,4 + (T μ 8,435)2 ] 1200 (10) Condutividade térmica (K) k = (0, ,00213T 0, T 2 )(1 X f )(0, ,0019T) (11) Vazão mássica m A = C PA(T q T f ) q A (12)

5 Taxa de transferência de calor Número de Reynolds Número de Prandtl q = m C P (T q T f ) Re = 4m π(d e + D i )μ Pr = C Pμ k (5) (6) (7) Número de Nusselt Nu = 0,023R e 4 5 P r 0,4 (8) O cálculo de vazão do leite mostrado na equação 4 foi desenvolvido a partir de sua densidade, que foi baseada na quantidade produzida diariamente em escala industrial. Para o presente trabalho foi considerado uma produção média de L/dia. Segundo (GUT et. al,2004) o cálculo de capacidade calorífica do leite é representada pela equação 1 onde Xw representa a porcentagem de água composta no leite.(choi et. al, 1986). Para os cálculos das propriedades físicas do leite, foram utilizadas as equações 01 a 08,(AGUIAR;HELENA, 2009) Estas equações também são calculadas com temperaturas em graus Celcius T [ºC], sendo Xf, a fração de gordura presente no leite. (CHOIet. al, 1986). As correlações para determinação das propriedades físicas da água utilizadas neste trabalho são apresentadas pelas equações 9 a 12. As propriedades, viscosidade μ[pas s], calor específico Cp [J/kgC] e condutividade térmica k [W/Km] são calculadas com temperaturas em graus Celcius T [ºC]. (GUT et. al,2004). Para a determinação da taxa de transferência de calor, número de Reynolds, Prandtl e Nusselt foram utilizadas as mesmas referidas acima, equações 5 a 8. Devido ao fato de o trocador precisar realizar a etapa de resfriamento, também se deve alterar as temperaturas de entrada e saída para cada fluido, com isso, foi necessário calcular uma nova vazão, conforme equação 4 TABELA 3: Equações para os trocadores de calor DADOS CASCO E TUBO PLACAS Coeficiente convectivo interno Coeficiente convectivo externo hi = he = Nu k Nu k (13) hi = (13) D i D i Nu k D e (14) he = Nu k D e (14)

6 Coeficiente Global U = 1 ( 1 hi + 1 he ) (15) U = 1 ( 1 hi + 1 he ) (15) TLM TLM = (T eq T sf ) (T sq T ef ) (T eq T sf ) (T sq T ef ) ln T eq T sf (16) TLM = ln T eq T sf (16) T sf T ef T sf T ef L = Área A = q UπD TLM q U TLM (17) L = q TLM ( 1 he + 1 hi ) (18) (19) A = L 2 (N 1) (20) Espessura dos canais - A = L N (21) Para a determinação do comprimento e área do trocador de calor casco e tubo foram utilizadas as equações 13 a 17 e 19. Os cálculos para o trocador de calor a placas foram feitos do mesmo modo que o trocador casco e tubos, tanto para a etapa de aquecimento, quanto para a etapa de resfriamento conforme demonstrados pelas equações 1 a 16, considerando que a vazão de entrada de leite seria a mesma para ambos. Com exceção apenas da última etapa dos cálculos, no qual se determina o comprimento do equipamento, para o trocador de placas é necessário se determinar a quantidade de canais necessária no processo e para isso é preciso calcular a espessura dos mesmos, conforme as equações 18, 20 e 21. No trocador de calor tipo placas, podemos calcular as espessuras dos canais entre as placas através da equação da dimensão global do trocador de calor e a área de transferência de calor. Tem-se que A espessura dos canais entre placas Apode ser relacionada à dimensão global do trocador de calor, sendo L o comprimento do trocador de calor e N o número de canais. A = L N (17) Para o cálculo da área de transferência de calor total, é determinada através do comprimento L e o número de canais N: A = L 2 (N 1) (18) O comprimento do trocador pode ser calculado a partir da taxa de transferência de calor, mostrado pela equação 19.

7 Resultados e Discussão Os resultados obtidos no projeto estão obtidos para cada fluido, descrito na Tabela 3, os dados foram obtidos através das equações nos itens 1 ao 12. TABELA 4: Dados Específicos dos Fluídos para o Trocador de calor Aquecimento DADOS LEITE ÁGUA Capacidade específica (Cp) 3860,44 J/(Kg.K) 4191, J/(Kg.K) Viscosidade 0,0010 N.s/m² N.s/m 2 Condutividade térmica (K) 0,6136 W/m 2. k 0,6664 W/m 2. k Densidade 1,032 Kg/m³ 1,000 Kg/m³ Vazão mássica 0,1671 Kg/s 0,2103 Kg/s Temperatura de entrada 34 ºC 90 ºC Temperatura de saída 75 ºC 60 ºC Resfriamento Capacidade específica (Cp) 3860,44 J/(Kg.K) 4344,49 J/(Kg.K) Viscosidade N.s/m² N.s/m² Condutividade térmica (K) 0,6405 W/m 2. k 0,6124 W/m 2. k Densidade 1,032 Kg/m³ 1,000 Kg/m³ Vazão mássica 0,1671 Kg/s 0,18 Kg/s Temperatura de entrada 75 ºC 1ºC Temperatura de saída 4ºC 46 ºC A Tabela 5 mostra as dimensões fixas dos diâmetros interno e externo para o trocador de calor de casco e tubo. Estas dimensões foram consideradas de acordo com os trocadores de calor comumente usados. Essas dimensões foram adquiridas através da Apema, empresa de fabricação de trocadores casco e tubos. Trocador de casco e tubo TABELA 5: Diâmetro Interno e Externo do Trocador de Calor Diâmetro interno Diâmetro externo 0,05 m 0,07 m

8 Os resultados mostrados nas Tabelas 6 e 7 são cálculos efetuados através das equações dos itens 13 a 18. TABELA 6: Cálculos e resultados do trocador de calor casco e tubo com escoamento contracorrente e tipo placas para Aquecimento CÁLCULOS E RESULTADOS Calculado Casco e tubo Placas Coeficiente convectivo interno (leite) 457,70 W/(m².K) 118,06 W/(m.K)N/L Coeficiente convectivo externo (água) 321,28 W/(m².K) 170,86 W/(m.K)N/L Coeficiente global de transferência de calor 188,77 W/(m².K) - 44,60 m 23,06 [m] (N-1).N Média Logarítmica 19,99 ºC 19,99 ºC Nusselt (água) 33,74 512,79 Nusselt (leite) 37,29 281,28 Reynolds (água) 5875, ,82 Reynolds (leite) 3954, ,25 Taxa de transferência de calor 26448,26 W 26448,26 W Área de transferência de calor 7,02m 2 0,13m 2 TABELA 7: Cálculos e resultados do trocador de calor casco e tubo com escoamento contracorrente e tipo placas para Resfriamento CÁLCULOS E RESULTADOS Calculado Casco e tubo Placas Coeficiente convectivo interno (leite) 428,81 W/(m².K) 80,86 W/(m.K)N/L Coeficiente convectivo externo (água) 205,18 W/(m².K) 109,12 W/(m.K)N/L Coeficiente global de transferência de calor 138,77 W/(m².K) - 105,86 m 49,68 [m] (N-1).N Média Logarítmica 11,46ºC 11,46 ºC Nusselt (água) 23,45 356,33 Nusselt (leite) 33,47 252,47 Reynolds (água) 2430, ,89 Reynolds (leite) 4792, ,28 Taxa de transferência de calor 45800,64 W 45800,64 W Área de transferência de calor 15,39m 2 0,57m 2 As Tabelas 6 e 7 mostram os resultados dos cálculos para os dois trocadores nas etapas de aquecimento e resfriamento, respectivamente. Nota-se que os resultados para as duas etapas são similares em cada trocador, com exceção do comprimento, isso ocorre pelo fato de que na fase de aquecimento é onde ocorre a pasteurização do leite, processo imprescindível para a fabricação do produto, portanto necessita de uma maior eficiência e troca térmica, resultando, portanto, em um comprimento menor em relação ao resfriamento do processo. Para determinar o comprimento ideal para o trocador de calor, foi feito uma variação nos cálculos mencionados nos itens 2 a 16, essa variação foi da temperatura de saída da água no processo e fixando todos os demais valores, foi possível perceber uma considerável variação na área e no comprimento do equipamento. Conforme demonstrado na Tabela 8.

9 Temperatura TRABALHO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA QUÍMICA TABELA 8: Cálculo do comprimento do trocador de calor casco e tubo para aquecimento Temperatura Água Leite (m) Vazão da água (Kg/s) Área (m 2 ) Entrada Saída ,33 0, ,76 Entrada Saída ,60 0, ,65 Entrada Saída ,36 0,1803 8,57 Entrada Saída ,60 0,2103 7,02 Os resultados apresentados na Tabela 8 mostram que para o aquecimento do leite de 34 a 75 C, um aumento na vazão de água ocasiona um incremento da temperatura de saída da água, portanto o comprimento do trocador de calor diminuirá. Assim quando a vazão de água aumenta de 0,1404 m até 0,2103 m o comprimento diminui quase pela metade, isto leva a um aumento da temperatura de saída da água. A Figura 1 representa a variação do comprimento em relação a temperatura na etapa de aquecimento do trocador casco e tubo Figura 1: Variação de comprimento X Temperatura no trocador casco e tubo (aquecimento) O mesmo método foi utilizado para o resfriamento do trocador casco e tubos, conforme Tabela 9.

10 Temperatura TRABALHO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA QUÍMICA TABELA 9: Cálculo do comprimento do trocador de calor casco e tubo para resfriamento Vazão da Temperatura Água Leite Área água (m) (m (Kg/s) ) Entrada Saída ,20 0,16 27,83 Entrada Saída ,55 0,18 22,07 Entrada Saída ,99 0,20 18,22 Entrada Saída ,03 0,23 15,39 Na Tabela 9 os resultados obtidos mostram que para o resfriamento a melhor temperatura é a representada como 46ºC de saída da água, variável utilizada para realizar todos os testes de efetividade dos equipamentos. Utilizando as temperaturas pré-determinadas para o leite e para a entrada da água foi possível observar que o menor comprimento obtido foi de 98,03m, consequentemente resultou na maior vazão e menor área. A Figura 2 mostra a variação do comprimento do trocador de calor casco e tubo em relação a temperatura de saída da água na etapa de resfriamento Figura 2: Variação de comprimento X temperatura no trocador casco e tubo (resfriamento) Para o trocador placas foi necessário calcular mais variáveis para se determinar o comprimento e área ideal para o processo. Para definir o número ideal de canais para o trocador de calor a placas foi feito uma variação nos cálculos testando 4 x 16 canais, a partir disso, foram observados quantos canais eram necessários para atingir o resultado esperado utilizando a menor área possível. Primeiramente, determinou-se a espessura dos canais, para que fosse possível definir a quantidade ideal de canais para o equipamento, de acordo com a Tabela 10.

11 TABELA 10: Cálculo da espessura dos canais do trocador a placas (m) Canais Aquecimento Espessura dos canais (m) Área de transferência de calor total (m 2 ) 1,92 4 0,48 11,08 0,41 8 0,05 1,18 0, ,01 0,33 0, ,006 0,13 (m) Canais Resfriamento Espessura dos canais (m) Área de transferência de calor total (m 2 ) 3,91 4 0,97 45,78 0,84 8 0,10 4,90 0, ,02 1,38 0, ,01 0,57 A Tabela 10 foi elaborada uma variação do número de canais para se determinar o número ideal, percebe-se que com 16 canais o processo se mostra o mais eficiente, pois foi onde houve o menor comprimento e área total de transferência, concluindo que com apenas 0,10m de comprimento para etapa de aquecimento e 0,20m para o resfriamento é possível atingir o resultado esperado de forma eficiente e com alta qualidade. Podemos perceber que conforme o aumento no número de canais entre as placas, o comprimento é diminuído. De acordo com INCROPERA de Witt (2006), o aumento do número de canais também significa o aumento da relação UA, isso se deve a maior disponibilidade da área e do aumento dos coeficientes de transferência de calor de acordo com o escoamento dos fluidos. Conclui-se então que, com o aumento no número de canais há consequentemente a diminuição da área de transferência total, assim como esperado. A Figura 3 demonstra a variação do número de canais com o comprimento das duas etapas do trocador de calor.

12 Aquecimento Resfriamento Figura 3: do trocador de calor tipo placas X números de canais para aquecimento Após análise do número de canais, foi possível calcular a área e o comprimento do trocador, e assim concluir a melhor escolha para se obter a máxima eficiência, no caso foi determinado 16 canais, pois possui o menor comprimento diante das variáveis, como mostra na Tabela 11. TABELA 11: Variação do comprimento do trocador a placas com 16 canais para aquecimento 16 Canais Temperatura Água Leite Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída (m) Vazão da água (Kg/s) Área (m 2 ) 0,17 0,14 0,44 0,14 0,15 0,27 0,11 0,18 0,19 0,10 0,21 0,13 Conforme mostrado na Tabela 11, a mesma análise efetuada para o aquecimento no trocador casco e tubo foi executada para o aquecimento do trocador a placas, entretanto, a análise foi feita a partir dos 16 canais escolhidos como melhor opção. Com fundamento da variação da temperatura de saída da água foi estabelecido que a temperatura mais efetiva para o processo é o último teste, em que se obteve 60ºC, o menor comprimento e área 0,10m e 0,13, assim como a maior vazão. O mesmo modo de resultado obtido para o trocador a placas ocorreu para o casco e tubo, na melhor temperatura determinada, alcançou o menor comprimento, menor área e maior vazão e, portanto, maior eficiência para o processo. A Figura 4 representa a variação de comprimento em função da temperatura do trocador de calor a placas na etapa de aquecimento.

13 Temperatura TRABALHO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA QUÍMICA g Figura 4: Variação de comprimento X Temperatura no trocador de placas (aquecimento) Conforme a análise do número de canais, determinado com 16, foi possível calcular a área e o comprimento do trocador, e assim concluir a melhor escolha para se obter a máxima eficiência, pois possui o menor comprimento diante das variáveis, como mostra na Tabela 12. TABELA 12: Variação do comprimento do trocador a placas com 16 canais para resfriamento 16 Canais Temperatura Água Leite Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída Entrada Saída (m) Vazão da água (Kg/s) Área (m 2 ) 0,20 0,23 0,57 0,23 0,20 0,77 0,27 0,18 1,10 0,34 0,16 1,70 A Tabela 12 mostra a temperatura ideal de saída de água a ser utilizada, como pode-se observar, a temperatura de 46ºC atingiu o comprimento de 0,20m, 0,23kg/s de vazão e 0,57m 2 de área total, ou seja, os resultados buscados foram atingidos em uma menor área, com maior troca térmica e foi possível resfriar o leite a 4ºC para que o processo fosse devidamente finalizado. A Figura 5 mostra a variação do comprimento em relação a temperatura do trocador de calor a placas na etapa de resfriamento.

14 Temperatura TRABALHO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA QUÍMICA Figura 5: Variação de comprimento X Temperatura no trocador de placas (resfriamento) TABELA 13: Comparação do entre os trocadores casco e tubo e a placas Aquecimento Casco e tubo Placas Vazão da Vazão da Área água (m (Kg/s) 2 água ) (m) (Kg/s) (m) Área (m 2 ) 44,60 0,2103 7,02 0,10 0,21 0,13 Resfriamento 98,03 0,23 15,39 0,20 0,23 0,57 A Tabela 13 mostra a comparação entre o trocador casco e tubo e o trocador a placas nas etapas de aquecimento e resfriamento. Há uma considerável diferença no comprimento de cada trocador, isso ocorre devido a configuração de cada um, considerando praticamente a mesma vazão nas duas etapas, o trocador a placas necessita de uma área de transferência e comprimento muito menor para efetuar o mesmo processo e sob as mesmas condições que o trocador casco e tubo. As Figuras 6 e 7 mostram a relação dos trocadores casco e tubo e placas no seu comprimento, área e vazão ideais em cada etapa, aquecimento e resfriamento. Conforme determinado através dos cálculos realizados.

15 Placas Placas TRABALHO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA QUÍMICA , , , Área Vazão de água Casco e Tubo 0 Figura 6: Variação de comprimento X Área X Vazão de água em comparação entre os trocadores de placas e casco e tubo (Aquecimento) , , Área , Vazão de água Casco e Tubo Figura 7: Variação de comprimento X Área X Vazão de água em comparação entre os trocadores de placas e casco e tubo (Resfriamento) Conclusão Com a finalização do projeto foi possível concluir qual o melhor trocador de calor a ser utilizado no processo estudado, de acordo com a estrutura, e cálculos realizados para cada trocador individualmente. Conforme os resultados obtidos e a literatura relacionada aos trocadores de calor, foi determinado que o melhor equipamento é o trocador a placas. Com base nos cálculos o objetivo para optar pelo melhor trocador foi atingir o menor comprimento, respeitando as temperaturas obrigatórias para que o processo ocorresse de forma correta. Para o trocador casco e tubo na primeira etapa (aquecimento) foram realizados quatro testes variando a temperatura de saída de água, considerando que as temperaturas do leite já estavam determinadas pela temperatura para que fosse possível realizar a pasteurização. Como melhor resultado obteve-se 60º C de saída para água, foi possível atingir um

16 comprimento de 45m, comprimento definido como ideal de acordo com a temperatura estipulada. Já para a etapa de resfriamento observou-se que a melhor temperatura de saída da água foi de 46ºC, pois foi o teste em que resultou no menor comprimento 98,03 m, menor área 15,39 m 2 e maior vazão 0,23 Kg/s, isso significa que utilizando este comprimento é possível atingir o objetivo com uma maior troca térmica e máxima qualidade no processo. É importante que o leite atinja a temperatura de saída desejada, para que siga com o fluxo normal do processo. No trocador de placas foram realizados os mesmos métodos de cálculos. Porém, para se calcular o comprimento foi necessário calcular o número de canais ideal para o trocador, para isso, foi realizado o cálculo de espessura dos canais no trocador com variação de 4, 8, 12 e 16 canais. Determinou-se que a melhor opção para atingir o menor comprimento foram 16 canais, a partir disso houve a mesma variação da temperatura de saída da água. Para a etapa de aquecimento definiu que 60º C foi a melhor temperatura, pois atingiu 0,10m de comprimento, 0,21Kg/s de vazão de água e 0,13m 2 de área total do trocador, portanto, o menor comprimento atingido dentro dos objetivos necessários. No entanto não foi possível calcular o tempo de aquecimento para o trocador de placas, devido a complexidade dos cálculos seria necessário um período mais longo para que fosse possível determiná-lo, ainda assim, em comparação com o trocador casco e tubo, o trocador a placas atinge valores muito menores, ou seja, é possível obter o mesmo resultado de eficiência utilizado uma menor estrutura de equipamento e, com isso, reduzir espaço, custo para a empresa. Para o resfriamento no trocador a placas foi realizado o mesmo método do aquecimento, os resultados obtidos foram 16 canais como ideal, 61º C de temperatura de saída da água, resultando em 0,34m de comprimento, 0,16Kg/s de vazão da água e 1,70m 2 de área total. Conforme dito para o resfriamento do trocador casco e tubo, essa etapa não necessita de um tempo do acontecimento, portanto não foi realizado o cálculo, mas o leite atingiu 4ºC conforme esperado. Na teoria há outros fatores que apontam o trocador de placas como melhor opção para o processo de pasteurização do leite, além de ser mais fácil sua mobilidade e processo de limpeza, ele permite que todas as peças sejam retiradas com facilidade, permitindo a lavagem completa das mesmas e com isso, evitando permanência de qualquer microorganismo. Outra característica deste trocador é a flexibilidade em relação ao seu dimensionamento, proporcionando fáceis adaptações conforme necessidade do processo. De forma geral, o trocador casco e tubo atingiu o comprimento de 45m e uma variação de temperatura de saída da água a 60º C, já para o trocador a placas na mesma temperatura precisa de um comprimento de 0,34m, ou seja, ele atinge o resultado em um trajeto muito menor, tornando-o portanto, a melhor escolha. O trocador de calor casco e tubo é um equipamento mais caro, mais pesado e mais difícil de efetuar a limpeza, requisito imprescindível na indústria alimentícia, entre tanto é possível que ele efetue o processo nas condições desejadas e atinja o resultado esperado. Contudo, este tipo de trocador é normalmente utilizado em processo que necessitam suportar altas temperaturas ou pressões. Sendo assim, temos que os trocadores de calor tipo placas, são mais eficientes e utilizados nos processos de indústria alimentícia e também tem um melhor custo benefício, tendo em seu principal objetivo garantir o tratamento térmico eficiente e confiável, para que o resultado final tenha máxima qualidade.

17 Referências Bibliográficas TRABALHO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA QUÍMICA Apema trocadores de calor. Disponível em: < Acesso em: 14/04/18 Apema trocadores de calor. Disponível em : < CAO, E., Heat Transfer in Process Engineering, New York, The McGraw-Hill Companies, Inc p CHOI, Y. et. Al., THERMAL PROPERTIES OF LIQUID FOODS REVIEW, In; OKOS, M. R. (Ed.). Physicak and Chemical Properties of Food St. Joseph; ASAE, 1986 p GANGHIS, DIÓGENES. Apostila de trocadores de calor - centro federal de educação tecnológica. CEFET/BA. Disponível em: < 20de%20Calor/Apostila%20de%20Trocadores%20de%20Calor.doc>. Acessado em: 23/05/2018. GUT, J. A. W., Configurações ótimas para trocadores de calor, São Paulo, 2003 GUT, J. A. W.; FERNANDES R., TADINI, C. C.; PINTO J. M. HTST Milk Processing: Evaluating the thermal Letality inside Plate Exchangers. In : International Congress on Engeneering and Food icef 9, 2004, Montpellier Proceedings osicef 9, GUTIERREZ, C. G.; Distribuição do Tempo de residência em Processo de Pasteurização com Trocador de Calor a Placas; São Paulo, 2008 H. CHENG, A. FRIIS, Operability and Flexibilty of a Milk Production Line - Food Production Engineering Group, Biocentrum-DTU, Technical University of Denmark, Lyngby,Denmark História do leite. Disponível em: < Acesso em: 23/04/18. INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P. Fundamentos de Transferência de. Calor e de Massa, 3a edição, LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora. S. A., R. J KAKAC, S. et. Al., HEAT EXCHANGERS, SELECTION, RATING, AND THERMAL DESIGN Third Edition, CRC Press Taylor & Francis Group, New York, 2012 p , 33 66, WALSTRA, P.; WOUTERS, J. T. M.; GEUTRS, T. J. et. Al. Dairy Science and Tachnology. Taylor & Francis Group, Second Edition, 2006