Projeto de um trocador de calor para arrefecimento de mosto de cerveja

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA Projeto de um trocador de calor para arrefecimento de mosto de cerveja Eduardo Bered Fernandes Vieira Leandro Behling Schäfer Pierre Oberson de Souza Porto Alegre, 13 Dezembro de 2011

2 Resumo No presente trabalho é realizada a montagem e estudo de um pasteurizador de cerveja. Esse equipamento funciona com o princípio da troca de calor entre dois fluidos a temperaturas diferentes. O trocador foi montado com a seguinte configuração: um tubo de cobre (por onde circula o fluido quente) com diâmetro externo 3/8 circundado por uma mangueira plástica de diâmetro 3/4 (por onde percorre o fluido frio), vazão contra-corrente do liquido de arrefecimento. Objetivou-se a diminuição da temperatura da água proveniente da fonte quente (75 C) para a mais próxima possível da fonte fria (temperatura ambiente). Para fins de análise, foi substituído a cerveja por água devido a seu baixo custo e grande disponibilidade. Medidores de vazão do tipo tanque aferido são construídos para obter dados da vazão nas duas correntes analisadas. Foram realizados experimentos no laboratório LETA (UFRGS) - Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos, que demonstraram resultados concordantes com a expectativa e que estiveram de acordo com a fundamentação teórica. Palavras-chave: pasteurizador, cerveja, arrefecimento, medidores de vazão. 2

3 Abstract In this paper, the assembly and study of a beer pasteurizer is developt. This equipment works based on the principle of heat exchange between two fluids at different temperatures. The exchanger was mounted following this configuration: a copper tube (through which the hot fluid circulates) outside diameter 3/8" surrounded by a plastic hose diameter 3/4" (where the cold fluid goes) flow against current of the liquid cooling. The temperature reduction of the hot water (75 C) is aimed for the nearest possible source of cold (room temperature). For analysis purposes, the beer was replaced by water due to its low cost and wide availability. Flow meters (calibrated tank) were constructed to obtain flow data analyzed in two streams. Experiments were performed in the laboratory LETA (UFRGS) - Laboratory of Thermal and Aerodynamic studies, which showed results consistent with expectations and were in agreement with the theoretical. Keywords: pasteurizer, beer, cooling fluid, flow meters. 3

4 1. Introdução Louis Pasteur, ( ), descobriu em 1864 que o aquecimento de certos alimentos e bebidas acima de 60 C por um determinando tempo e depois abaixando bruscamente a temperatura do alimento evitando a sua deterioração, reduzindo de maneira sensível o número de microorganismos presentes na sua composição. 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. 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 tubulação de cobre, com o fluido refrigerante na configuração contra-corrente. Foi construído, ainda, medidores de vazão por tanque aferido para obtenção de 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. 4

5 2. Revisão Bibliográfica Atualmente, o número de pessoas interessadas em fabricar cerveja caseira vem crescendo. Porém, uma cerveja de qualidade exige um cuidado especial em todas as etapas de sua fabricação. Dentre estas etapas, a bibliografia [AQUARONE, 2003] destaca a fervura, filtração, resfriamento e fermentação. A fase do resfriamento é feita em trocadores de calor. A temperatura normalmente decresce de 80 C a 10 C. Nesta fase, precipitam-se complexos de proteínas com resinas e taninos, reação esta conhecida como cold break, que se inicia a 65 C. Esta fase é um dos pontos em que é possível o estabelecimento de infecções por bactérias e penetração de leveduras selvagens. Tendo em vista que o objeto de estudo deste trabalho é o resfriamento. A cerveja sofre o tratamento térmico de pasteurização, através de trocadores de calor, antes do envasamento, ou por túneis após o envasamento. A pasteurização através de trocadores de calor se realiza elevando-se a temperatura da cerveja à 75 C e a mantém por alguns segundos.è difícil assegurar que toda a cerveja alcance realmente e esta temperatura, entre outras razões pelo obstáculo que representa a tendência do dióxido de carbono de não solubilizar-se. Por isso, muitas instalações de fluxo contínuo têm dispositivos de recirculação. Para evitar a desgaesificação, é necessário operar-se a uma pressão, no sentido da corrente, de 7,5 a 10 bares e uma contra-pressão de 1 a 5 bares. É, no entanto, proteger a cerveja contra infecções posteriores à pasteurização, o que exige seu envasamento em recipientes estéreis. 3. Fundamentação Teórica Segundo Kakaç e Liu (2002), um trocador de calor ou permutador de calor é um dispositivo para transferência de calor eficiente de um meio para outro. Tem a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, encontrando-se estes a temperaturas diferentes. Os meios podem ser separados por uma parede sólida, tanto que eles nunca se misturam, ou podem estar em contato direto De acordo com [INCROPERA] há três tipos básicos de trocadores de calor. São eles: coaxial, casco e tubo e os compactos Tipos de trocadores de calor Atualmente, são utilizados, principalmente, três tipos básicos de trocadores de calor: o duplo tubo (coaxial), o casco e tubo e os trocadores de calor compactos. A configuração e uma breve análise dos três tipos estão relatadas abaixo: Trocador duplo tubo: O trocador duplo tubo (Figura 3.1.1) é composto por dois tubos concêntricos, geralmente com trechos retos e com conexões apropriadas nas extremidades de cada tubo para dirigir os fluidos de uma seção reta para outra. Este conjunto em forma de U é denominado grampo, o que permite conectar vários tubos em série. Neste tipo de trocador, um fluido escoa pelo tubo interno e outro, pelo espaço anular, a troca de calor ocorre através da parede do tubo interno. 5

6 Figura 3.1.1: Trocador de calor duplo-tubo com escoamento paralelo (fonte: BEJAN, 1996) As principais vantagens são: facilidade de construção e de montagem, ampliação de área, facilidade de manutenção e de acesso para limpeza. Trocador de calor casco e tubo: O trocador de calor casco e tubo (Figura 3.1.2) é composto por um casco cilíndrico, contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os tubos são presos, em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada furo corresponde a um tubo do feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os tubos que compõe o feixe atravessam varias placas ferfuradas, as chicanas, que servem para direcionar o fluido que escoa por fora dos tubos e também para suportar os tubos. No trocador um dos fluidos escoará pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos. A área de troca pode ser disposta de várias maneiras, por exemplo, pode-se ter um equipamento com tubos longos e com determinado diâmetro de casco ou com a mesma área construir outro trocador com tubos curtos. Relações de custo que é mais conveniente e mais econômico construir trocadores longos com diâmetros de casco e de tubos menores. Figura 3.1.2: trocador de calor casco e tubo (fonte: INCROPERA) A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível alocar em um determinado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo dos tubos que compõe o feixe e do numero de passagens no lado do tubo. O espaçamento entre as chicanas é padronizado. A redução no seu espaçamento tende a elevar o coeficiente de troca de calor do lado do casco, entretanto, tende a aumentar também a perda de carga o que 6

7 pode sobrecarregar o sistema de movimentação do fluido. Diferentes tipos de chicanas fazem com que o escoamento seja aproximadamente perpendicular aos tubos ou paralelo a eles. Trocadores de calor compactos: São equipamentos que apresentam alta razão entre área de transferência de calor e volume do trocador. São exemplos deste tipo de trocador os trocadores de placa e espiral, trocadores com tubos aletados, resfriadores a ar e variações do trocador casco e tubo (alta taxa de transferência de calor devido à turbulência) Métodos para cálculo de trocadores de calor Existem dois métodos principais para o cálculo de trocadores, o primeiro é o DTML, que tem seu uso aconselhado para situações onde se sabem as temperaturas de entrada e saída. Outro método é o método NUT, que é aconselhado quando se sabem as dimensões do trocador e se deseja saber as taxas de transferência de calor. Método DTML: Sendo : Sendo U definido como o coeficiente global de transferência de calor, que é calculado através da construção de um circuito térmico. Há também a possibilidade de encontrar na literatura tabelas com valores para o U: Tabela Valores para coeficiente global de transferência de calor (fonte Bejan Transferência de calor) Fluidos envolvidos U o Fluido Quente Fluido Frio (W/(m 2 K) Água Água Amônia Água Gases Água Orgânicos leves* Água Orgânicos pesados** Água Vapor d água Água Vapor d água Amônia Vapor d água Gases Vapor d água Orgânicos leves* Vapor d água Orgânicos pesados** Orgânicos leves* Orgânicos leves * Orgânicos pesados** Orgânicos pesados ** Orgânicos leves * Orgânicos pesados** Orgânicos pesados ** Orgânicos leves *

8 Método NUT: Primeiramente é definida a taxa máxima de transferência de calor: Sendo Cmin a menor capacidade calorífera. Temos então a efetividade como: Podemos então descrever o NUT como: Existem valores tabelados de NUT para diversos casos, no caso de tubos coaxiais temos as seguintes relações: Escoamento paralelo: Escoamento contra corrente: Nas figuras a seguir temos o comportamento das temperaturas nos dois casos, correntes paralelas (figura 3.2.2) e contra corrente (figura 3.2.1): Figura Escoamento contracorrente. Figura Escoamento paralelo. (fonte: BEJAN, 1996) 8

9 Na configuração contracorrente, temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas, conseqüentemente o escoando em sentidos opostos. Nota-se que para as mesmas configurações o trocador de contra corrente consegue uma diferença de temperaturas maior quando comparado ao com fluxo paralelo Medidor de Vazão por tanque aferido Segundo [SCHNEIDER, 2007], a vazão de um dado fluido pode ser obtida de forma simplificada utilizando-se um método exposto na figura a seguir: Figura Medidor de Vazão por tanque aferido (fonte: SCHNEIDER, 2007) Na figura 3.3.1, acima, tem-se um escoamento de um dado fluido por meio da bomba enchendo um tanque. 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. 4. Técnicas experimentais O experimento proposto está descrito abaixo: No laboratório foi fornecido fluido quente (água a 75 C) bem como vazão de água bombeada a temperatura ambiente para fins de arrefecimento. Objetivou-se a diminuição da água quente o mais próximo possível da água fria. Para tanto, o trocador construído foi instalado na bancada e mediram-se as vazões na entrada e saída. Um esquema da montagem de forma generalizada está exposto na figura 4.1 abaixo: 9

10 Figura 4.1: Esquematização do sistema de resfriamento montado no laboratório (fonte: edital do concurso disponível em Para construção foram utilizados: um tubo de cobre (3/8) por onde circula o fluido quente, uma mangueira plástica de ¾ por onde circula o fluido frio, uma mangueira plástica de ½ para conexões, abraçadeiras metálica para vedação e adaptadores de rosca ½ para fixação na bancada; união da mangueira ¾ para ½. Os custos dos equipamentos são apresentados na tabela a seguir: Tabela 4.1: Preços dos materiais utilizados para fabricação do trocador de calor Item Unidade Preço unitário Preço total Tubo de cobre 3/8" 5m R$14,29 por m R$ 71,45 Mangueira 3/4" 6m R$2,49 por m R$ 14,94 Mangueira 1/2" 2m R$1,46 por m R$ 2,92 Abraçadeira 4 R$ 1,40 R$ 5,60 Adaptador rosca 1/2" 2 R$ 0,72 R$ 1,44 União mangueira 3/4 para 1/2" 2 R$ 1,02 R$ 2,04 Conectores de cobre 2 R$9,00 R$18,00 Teflon 2 R$2,13 R$4,26 O medidor de vazão utilizado foi do tipo tanque aferido. Uma proveta de laboratório de 1L foi utilizada para calibração e medição de faixas de volume para o reservatório utilizado. Buscou-se um grande volume para minimizar erros. O medidor baseia-se na idéia da diferença de nível no reservatório num certo intervalo de tempo que será medido com um auxilio de um cronometro. O reservatório utilizado é apresentado na figura 4.2 abaixo: 10

11 Figura 4.2: Reservatório utilizado para medições da vazão Uma fotografia da montagem prévia do experimento está apresentada na figura a abaixo: Figura 5.2 construção do protótipo para arrefecimento do mosto 11

12 5. Validação do experimento Como esperado, o experimento funcionou de forma adequada e os resultados se mostraram dentro das expectativas iniciais. A dificuldade maior foi a estabilização da temperatura da fonte quente, porém após esta estabilização foi possível realizar diversas medições com diferentes vazões afim de comprovar o correto funcionamento do pasteurizador construído. Quanto a erros e incertezas é possível citar as incertezas de medições das temperaturas, essas medidas com termopares e de vazão, essa medida por meio de tanque aferido e utilizando um cronometro. A incerteza de medição da vazão é de difícil quantificação, isto porque há grande variação no tempo de reação de cada pessoa, fato que é de suma importância na medição da vazão por tanque aferido. 6. Resultados O experimento foi conectado na bancada do laboratório. Foram utilizados quatro pares de vazões (quente e fria) para cada teste. Diferentes valores de vazões e a mudança do fluxo possibilitaram a visualização de diferentes respostas para o projeto. No primeiro momento, foi utilizado o sistema em contra-fluxo haja vista a melhora de desempenho como pode ser observado na fundamentação teórica. No quinto teste, no entanto, foi substituído por um fluxo paralelo para fins de comparação. Em todas as figuras que serão mostradas a seguir, os valores referem-se de cima para baixo da seguinte forma: temperatura da água quente no reservatório, temperatura da água quente na entrada do trocador, temperatura da água quente na saída do trocador, temperatura da água fria na entrada do trocador e temperatura da água quente na saída do trocador. Serão detalhados a seguir, os testes realizados: O primeiro teste visou obter a máxima diferença de temperatura na entrada e saída do trocador para a fonte quente. Para tanto, foi configurado uma vazão de água fria no valor de 11L/min. Para água quente fixou-se o valor de 2L/min. As diferenças de temperatura após a estabilização da resposta são apresentadas na figura

13 Figura 6.1: Valores de temperaturas para vazão máxima de água fria O segundo teste foi baseado na idéia de diminuir o consumo de liquido de arrefecimento. Porém, foi reduzido apenas um pouco abaixo (8L/min) do teste anterior para possibilitar a diferença de temperatura que esse efeito produziria. O valor da vazão de água quente permaneceu inalterado. O resultado é apresentado na figura 6.2 abaixo: Figura 6.2: Valores de temperaturas. Vazão da fonte fria: 8L/min No terceiro teste realizado, foi realizada a medição das temperaturas sob circunstancias em que as vazões das duas fontes seriam as mesmas. Ambas teriam um valor de 4L/min. A resposta é apresentada na figura 6.3 seguir: 13

14 Figura 6.3: Valores de temperaturas para valores médios de vazões O quarto teste foi baseado na idéia da pior situação possível em termos de troca de calor por parte do protótipo. Nessa situação, foi reduzido ao mínimo o valor da vazão de liquido de arrefecimento (2L/min) e ao máximo o valor da vazão da fonte quente (11L/min). Como esperado, essa situação apresentou a menor perda de temperatura dentre todos os testes. Com essa configuração, a água quente permanece pouco tempo em contato com a água fria. Tem-se que destacar ainda o fato de que a água fria ganhar calor por mais tempo diminuindo assim a diferença de temperatura e, conseqüentemente, diminuir a perda de calor. O resultado deste teste é apresentado na figura 6.4 que segue: Figura 6.4: Valores de temperaturas para o pior caso: mínima vazão de água fria No quinto teste realizado, como no primeiro, buscou-se a resposta do sistema para os valores de vazões para o caso com a máxima vazão de água fria e mínima de água quente. 14

15 Porém, agora, o fluxo da água fria seria paralelo ao da água quente. Como esperado, a diferença de temperatura foi menor comparada com o teste em contra-fluxo para mesmas vazões. A diferença observada entre as situações foi de 3,2 C. A resposta da configuração por completo é apresentada na figura 6.5 a seguir: Figura 6.5: Valores de temperaturas para máxima vazão de água fria com fluxo paralelo 15

16 7. Conclusões Com a realização deste projeto, foi possível a verificação e validação da teoria a respeito de trocadores de calor. Por meio da construção do protótipo, pode-se perceber as dificuldades envolvidas neste processo e o grande número de variáveis que tornam um trocador eficaz. Dentre elas, é possível citar o material utilizado, o sentido do fluxo do fluido de arrefecimento e as vazões das fontes (quente e fria). O material influencia diretamente a troca de calor. Utilizou-se o cobre devido a seu alto coeficiente de condução que proporciona um elevado efeito útil neste caso (resfriamento). O sentido do fluxo foi objeto de estudo neste experimento e constatou-se que a configuração contracorrente foi mais eficiente que a configuração na qual os fluidos escoam no mesmo sentido. Para a mesma relação de vazões, o contracorrente obteve um resfriamento de 3 C superior se comparado com o paralelo. Para os demais testes, constatou-se que a redução de temperatura da água quente é aumentada com o aumento da vazão de água fria e/ou diminuição da vazão de água quente a ser refrigerada. Porém, ao aumentar demasiadamente a vazão de água fria, constatou-se que a eficácia diminui. Analisando o caso onde obteve-se a maior diferença de temperatura, foi possível uma redução de 28 C para uma vazão de 11L/min de água fria. No caso com vazão da fonte fria de 8L/min, foi reduzido em 26,63 C a temperatura da água quente. No pior caso analisado, com vazão da água fria no valor de 2L/min e da água quente no valor de 11L/min foi reduzido em 10,93 C a temperatura. Analisando a realização deste experimento de forma geral, foi possível constatar que o projeto de um trocador de calor abrange muitos aspectos na área das ciências térmicas. Além disso, entendeu-se que o dimensionamento, bem como as vazões estabelecidas, dependem de diversos aspectos que serão tomados como parâmetros para posterior classificação. Para tal fim, preza-se por valorizar aquele parâmetro no qual entendeu-se como sendo prioridade de projeto. 16

17 8. Referências Bibliográficas INCROPERA, F. P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York: John Wiley & Sons SCHNEIDER, P. S., 2007, Medição de velocidade e vazão de fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Trocadores de calor: acessado em 02 de dezembro de SADIK KAKAC AND HONGTAN LIU, March Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design. 2nd Edition ed. [S.l.]: CRC Press, E. AQUARONE ; U. DE ALMEIDA LIMA ; W. BORZANI. Alimentos e Bebidas Produzidos por Fermentação. Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo, 1993 BEJAN, Adrian. Transferência de Calor. Edgard Blücher Ltda, São Paulo,