CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR PARA RESFRIAMENTO DE MOSTO DE CERVEJA

Transcrição

1 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 Carolina Rekowsky Lopes Fábio de Amorim Marcello Rodrigo Argenta Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider Porto Alegre, Dezembro de 2011

2 RESUMO No presente trabalho é desenvolvido um trocador de calor do tipo casco e tubos responsável pelo resfriamento do mosto de cerveja onde, para fins experimentais, foi utilizado água quente e água fria. Após comparação entre a temperatura de saída e a de entrada do líquido quente, verificou-se uma pequena redução na sua temperatura, em torno de 10 C, baixa eficiência (24,4%), devido à pequena quantidade de tubos utilizados e à disposição dos mesmos, que reduziu a área de contato do dispositivo. Além do trocador, foi criado um medidor de vazão de tanque aferido, de baixo custo, fácil fabricação e utilização e com boa precisão. Para a correta medição da vazão, o medidor foi calibrado por intermédio de medições experimentais em bancada, nas quais se determinou a vazão obtida e os erros embutidos. Os resultados de vazão medidos, após calibração do experimento, são comparados com os valores reais de referência medidos pelo rotâmetro empregado na calibração, verificando-se baixos erros de medição para vazões maiores que 5 L/min. PALAVRAS-CHAVE: Pasteurizador, Cerveja, Eficiência, Medidor de vazão. i

3 ABSTRACT In this paper, we develop a heat exchanger responsible for cooling the beer wort. We use experimentally hot and cold water. After comparing the input and output temperature of the hot liquid, we detect a small reduction in its temperature, 10 C, low efficiency (24,4%), due to the small number of tubes used and the arrangement of it, which reduce the device contact area. In addition to the heat exchanger, we create a flow meter calibrated tank, since it has a easy design. For the correct flow measurement, the flow meter was calibrated by experimental measurements on a bench. which it determined the through put obtained and the error. The flow results, after experiment calibration, are compared with the actual values measured by the reference flow meter used in the calibration, verifying low measurement errors for flows greater than 5 L/min. KEYWORDS: Pasteurizer, Beer, Efficiency, Flow meter. ii

4 SUMÁRIO RESUMO... ii ABSTRACT... iii SUMÁRIO... iv LISTA DE FIGURAS... v LISTA DE TABELAS... vi LISTA DE SÍMBOLOS...vii 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO MATERIAIS E FABRICAÇÃO RESULTADOS E DISCUSSÕES CONCLUSÕES... 8 REFERÊNCIAS iii

5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Serpentina de resfriamento de mosto... 2 Figura 2 Trocador de calor de placas... 2 Figura 3 Pasteurizador em processo de construção... 4 iv

6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Calibração do Medidor de Vazão... 7 v

7 LISTA DE SÍMBOLOS Calor específico [kj/kgk] Vazão mássica [kg/s] Temperatura de entrada de fluido quente [K] Temperatura de saída de fluido quente [K] Temperatura de entrada de fluido frio [K] Calor trocado [W] Calor máximo que poderia ser trocado [W] Eficiência (adimensional ) Densidade [ ] Vazão volumétrica [ ] vi

8 1. INTRODUÇÃO A cerveja, com toda a certeza, é uma das bebidas mais apreciadas e antigas de todo o mundo. É conhecida há mais de 6000 anos e perdura até hoje em nosso cotidiano. Desde antes de Cristo seu currículo tornou-se extenso: em sua homenagem havia uma deusa na suméria, passou pelo código de Hamurábi na Babilônia e até mesmo houve um faraó-cervejeiro no Egito. Atualmente continua sendo muito consumida por todos os segmentos da sociedade e já são conhecidos alguns de seus benefícios e malefícios, [MORADO]. Esta bebida alcoólica é feita da fermentação de vegetais contendo amido, especialmente cereais. O mais comum é a cevada. Seus ingredientes básicos são água, cevada maltada e lúpulo. Também podem ser acrescentados outros ingredientes para obter sabores variados. Obter um resultado satisfatório ou específico ao fazer uma cerveja pode não ser uma tarefa simples. Seu sabor, cor e aroma dependem dos ingredientes de que é feita e da sua forma de preparação. Em geral, um bom resultado requer experiência. 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. Finalmente, a cerveja é fermentada, carbonatada e envasada. Todo o processo pode durar várias semanas. O rápido resfriamento do mosto após o cozimento faz parte do processo, devendo sua temperatura ficar próxima a temperatura ambiente. A forma de realização desse resfriamento será o tema principal deste texto. A idéia central é apresentar um dispositivo capaz de resfriar até a temperatura próxima a ambiente a maior quantidade de mosto possível com menor consumo possível de líquido de arrefecimento. O dispositivo será um trocador de calor que, para a finalidade da produção da cerveja, será chamado de pasteurizador. Para avaliar o consumo no arrefecimento e a produção do mosto resfriado também será exposto um dispositivo próprio de medição da vazão, em que é desejável obter uma baixa incerteza. A base para alcançar esse objetivo é um tubo Venturi de onde serão feitas tomadas de pressão. Ao final deste texto o leitor terá conhecido uma idéia funcional e barata de resfriar líquidos e sua forma de construção. Além disso, também terá disponível a informação de como pode ser construído e utilizado um medidor de vazão para o pasteurizador, bem como sua calibração, sendo que essa forma de medição também poderá ser utilizada para outros fins. 1

9 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O modo como cervejarias artesanais resfriam seu mosto depende da quantidade que é produzida. Pode-se utilizar mais de um pasteurizador no processo de resfriamento. Em geral a decisão sobre o tipo de pasteurizador depende do custo e resultado a ser obtido. Para cervejarias com produção pequena ou inconstante, o resfriamento do mosto pode ser feito com serpentina, como a da figura abaixo. Figura 1: Serpentina utilizada para resfriamento do mosto de cerveja. Figura retirada do site Para produções maiores, um trocador de calor de placas pode ser usado. Neste trocador há duas entradas e duas saídas, uma entrada e uma saída usadas pela mosto, que entra quente e sai frio, e outra entrada e saída usadas pelo líquido refrigerante, que sairá mais quente do que entrou. A figura abaixo ilustra esse tipo de resfriador, também utilizado para o leite. Figura 2: Trocador de calor de placas utilizado para alimentos. Figura retirada do site de Engenharia e alimentos da UFGRS. 2

10 Em uma microcervejaria da zona sul de Porto Alegre, por exemplo, são utilizados dois trocadores de calor de placas: um refrigerado com água a temperatura ambiente para baixar a temperatura do mosto em torno de 40 C e outro refrigerado com água a 4 C. Neste último poderia ser usada uma solução de água e etanol a -7 C para um maior resfriamento, em torno de 20 C. O resultado obtido para este tipo de trocador é um resfriamento em torno de 75 C, ou seja, o mosto entra a 100 C e sai a 25 C. Uma opção a ser utilizada para resfriamento de líquidos é o trocador do tipo casco e tubos. Neste tipo de trocador, o líquido refrigerante passa por dentro do casco, resfriando o líquido quente, ou mosto, nos tubos, que também passam por dentro do casco. Este foi o trocador escolhido neste trabalho, por causa do seu baixo custo e facilidade de construção. 3. FUNDAMENTAÇÃO Para verificar o desempenho do pasteurizador utilizado, [INCROPERA], a sua eficiência é calculada com onde é o calor trocado no processo e é o calor máximo que poderia ser trocado. O calor trocado é (2) é a menor taxa de capacidade calorífica dos fluidos quente e frio, função da vazão mássica multiplicada pelo calor específico. No caso do trocador em questão, como varia pouco e a vazão mássica do líquido quente é bem menor, Outro parâmetro importante, que é relacionado com a produtividade, é a vazão do líquido que pode ser resfriado. A medida da vazão de um escoamento permanente [SCHNEIDER, 2011] pode ser realizada facilmente com a utilização de um contador de tempo (cronômetro) e um reservatório. É medida a vazão volumétrica, pois mede-se a diferença no nível do reservatório após decorrido um certo tempo. Basta que seja dividido o volume pela unidade de tempo e tem-se a vazão. Para obter a vazão mássica utilizada nas equações do calor acima, utiliza-se (4) (3) onde é a densidade, em, e é a vazão volumétrica, em. 3

11 4. MATERIAIS E FABRICAÇÃO O presente trabalho foi desenvolvido em duas etapas: o pasteurizador e seu medidor de vazão. Os materiais utilizados foram facilmente encontrados em ferragens e supermercado, sendo assim, o experimento poderia ser repetido facilmente Pasteurizador O pasteurizador construído é do tipo casco e tubo. O fluido refrigerante (água) irá passar pelo casco e trocar calor com o líquido no interior dos tubos internos, onde passaria o mosto. Para uma melhor troca de calor foram usados tubos de alumínio, que tem alta condutividade térmica. Também influencia na troca de calor a espessura destes tubos. O casco, parte externa do equipamento, é feita de cano PVC, com diâmetro externo de e diâmetro interno de, comprimento de, duas saídas para água fria distantes das pontas (em média) e oito saídas para água quente do mosto em cada ponta, conforme a figura abaixo. Figura 3: Pausteurizador para cerveja em construção. Os tubos para passagem do líquido quente são feitos de alumínio e medem. Seu diâmetro externo é de e interno de, ou seja, a espessura é de separando os líquidos quente e frio. Ao final do comprimento do casco foi colocada uma barreira de PVC com oito furos para os tubos saírem de forma que o líquido quente não se misture com o frio. Para ajudar a promover turbulência da água fria foram colocados arames enrolados nos tubos no lado de entrada do refrigerante. Não foram utilizadas aletas internas no casco (chicanas). 4

12 Um acoplamento foi colocado na ponta do casco para que houvesse apenas uma saída de água quente. Esta saída é adaptável à bancada disponível do laboratório Medidor de Vazão Para o medidor de vazão foram utilizados canos hidráulicos, válvulas, balde graduado e cronômetro. O encanamento tem três saídas: uma conectada ao pasteurizador, outra conectada à fonte de líquido (neste caso, a bancada do laboratório) e outra que permitirá a saída do líquido para o reservatório, neste caso o balde graduado. O cano principal sai do pasteurizador e é dividido em dois. O caminho do escoamento é determinado pela abertura de duas válvulas, localizados após a divisão do cano. Quando o escoamento tomar seu curso normal, a válvula que leva ao reservatório aferido estará fechada. Quando deseja-se medir a vazão, somente esta válvula estará aberta. 5

13 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foram realizados cálculos teóricos a fim de comparar o resultado obtido na bancada com a teoria. Teste feito com de água fria e de água quente. Ou seja, são de entrada de água fria e de entrada de água quente. A água quente, com temperatura de 48,856 C (322,006K) de entrada, saiu com a temperatura de 43,219 C (316,369K). A água fria, que entrou a 25,733 C e saiu a 29,715 C., Levando em consideração as equações para cálculo do calor trocado, calor específico e densidade da água usada para simular a passagem do mosto pelo pasteurizador, foram calculados o calor trocado, calor máximo que poderia ser trocado eficiência do equipamento. Utilizando a equação (2), chega-se ao resultado de que a troca de calor ocorrida entre o líquido refrigerante e o líquido a ser resfriado é: O valor máximo que poderia ser atingido, utilizando a equação (3) e (4) Deste modo, conclui-se que, pela equação, (1) a efetividade é O resultado de uma efetividade baixa foi atribuído ao baixo número de tubos internos do pasteurizador, ocasionando menos superfície de troca entre o líquido quente e frio, e também à ausência de aletas (chicanas), que além de promover turbulência também ajudariam a guiar a passagem de líquido frio pelo casco. Um melhor resultado seria obtido ao utilizar estes elementos no pasteurizador. Sobre o tanque aferido utilizado para fazer as medições, ao fazer a calibração com o medidor de referência do laboratório, foram encontradas diferenças proporcionalmente pequenas nas medições para vazões mais elevadas e diferenças proporcionalmente maiores para vazões pequenas, conforma a tabela abaixo. 6

14 Erro atribuído à medição (%) Medidor de Referência Vazão (l/min) Tanque Aferido Vazão (l/min) Erro (%) 1,5 1,1 26,67 2,5 2,2 12,00 5,0 4,9 2,00 7,5 7,4 1,33 10,0 9,8 2,00 Tabela 1 Calibração do Medidor de Vazão O gráfico a seguir ilustra a proximidade entre as medições para maiores vazões e um maior distanciamento para medições com baixa vazão Medidor de Referência Vazão (l/min) Tanque Aferido Vazão (l/min) Gráfico 1: Diferença de resultados entre os dois medidores de vazão O gráfico seguinte evidencia como os erros decrescem com o aumento da vazão. 30 Vazão X Erro Vazão de Referência (L/min) Gráfico 2: Relação entre o erro na medição e a vazão A maioria dos medidores apresenta maiores incertezas quando utilizados em baixas vazões, portanto este resultado era esperado. Utilizando o software Curve Expert, é obtido um polinômio que relaciona de forma aproximada a vazão medida com a vazão de referência. Neste polinômio, representa a vazão medida e representa a vazão de referência. 7

15 6. CONCLUSÕES Através dos resultados expostos para o pasteurizador, é possível concluir que seriam necessárias modificações construtivas, como colocação de chicanas ou aumento do número de tubos, para utilizá-lo para o processo de fabricação da cerveja. A efetividade calculada do pasteurizador construído é 24,4%. Tais modificações poderiam ser obtidas facilmente e trariam resultados mais interessantes para sua finalidade. Desta forma é confirmada a necessidade de mais área de troca de calor e aletas, elementos comumente expostos na bibliografia. O medidor de vazão acoplado ao pasteurizador se comportou conforme a expectativa, com erros menores que 2% em vazões acima de 5L/min, não necessitando de ajustes para sua utilização. 8

16 REFERÊNCIAS [INCROPERA] INCROPERA, Frank, Transferência de Calor e de Massa, 6ª ed., LTC, [SCHNEIDER] SCHNEIDER,Paulo, Medição de Velocidades e Vazão de Fluidos, 2011 [MORADO] Morado, Ronaldo - Cerveja e Vinho - dos Primórdios à Atualidade, revista BEERLIFE