UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE CONSTRUÇÃO TROCADOR DE CALOR TIPO CASCO TUBO PARA RESFRIAMENTO DE MOSTRO DE CERVEJA por Fellipe Cros dos Santos Tayron Zilli Stapasolla Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2011

2 RESUMO No presente trabalho é apresentada a metodologia de construção e a teoria utilizada para desenvolver um trocador de calor do tipo casco-tubo que é utilizado como pasteurizador no processo de arrefecimento do mosto de cerveja.o trocador em questão proporciona uma troca de calor através de escoamento em contra-fluxo, com a entrada do fluído quente na região interna dos tubos de menor diâmetro e escoamento do fluído frio entre os tubos de cobre e a carcaça. São realizadas medidas de temperatura nas regiões de entrada e de saída que proporcionam uma estimativa da eficiência alcançada com o protótipo. Ainda, é apresentado o conceito da medição de vazão por recipiente aferido para avaliar a vazão de saída do mosto arrefecido. A eficiência deste tipo de trocador de calor se mostra significativa para altas vazões de liquido de arrefecimento. A medição de vazão por tanque aferido confronta-se de forma aceitável perante os valores que se obtém de medidores convencionais. Palavras-chave: pasteurizador, contra-fluxo, escoamento, temperatura, protótipo, vazão. 2

3 ABSTRACT In the present work presents the methodology and theory building used to develop a heat exchanger type "shell-tube" which is used as a pasteurizer in the process of wort cooling. The exchanger in question provides a heat exchange through flow in counter-flow, with the entry of warm fluid in the inner region of the smaller tubes and cold flow of fluid between the copper tubing and casing. Temperature measurements are performed in the regions of input and output that provide an estimate of the efficiency achieved with the prototype. Still, it introduced the concept of flow measurement container measured to evaluate the flow output of the cooled wort. The efficiency of this type of heat exchanger shown significant for high flow rates of liquid cooling. The measurement of flow measured by tank faces so acceptable to the values you get from conventional meters. Keywords: pasteurizer, counter-flow, flow, temperature, prototype. 3

4 SUMÁRIO RESUMO 2 Abstract 3 1. INTRODUÇÃO 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 Pasteurização da Cerveja 6 3. FUNDAMENTAÇÃO Tipo de Trocadores de Calor Casco Tubo Estilo de Escoamento Método da diferença de temperatura média logarítmica (LMDT) Vazão Volumétrica Medidor de vazão por tanque aferido 9 4. METODOLOGIA E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Adaptação do modelo teórico ao protótipo e construção Passos para a montagem do trocador: VALIDAÇÃO E RESULTADOS Escoamento contracorrente Medição da Vazão CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 16 Anexos 17 ANEXO A Folha de Avaliação 17 4

5 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS V: Volume [m³] : Vazão volumétrica [m³/s] T: tempo [s] U: coeficiente global de transferência de calor [W/(m 2 K)] ΔTml: diferença de temperatura média logarítmica [ C] m: Massa [kg] : Vazão mássica [kg/s] ou [g/s] T: Temperatura [K] ou [ºC] A: Área [m²] 5

6 1. INTRODUÇÃO Trocadores de calor são dispositivos utilizados para a troca de calor eficiente entre um fluído quente e um fluído frio, na qual ocorre uma transferência de calor por condução e convecção. Neste trabalho, temos como proposta construir um trocador de calor para arrefecimento de mosto de cerveja. Existem diversos tipos e configurações para realizar o arrefecimento de um fluido quente utilizando um trocador de calor. Um dos mais utilizado, e que será abordado neste trabalho, é o do tipo casca e tubo, que apresenta diversos tubos internos a uma carcaça com diâmetro maior. Dentro da carcaça existem tubos e chicanas, além de barras guias. Os tubos internos são responsáveis pela condução do escoamento do fluido quente e por isso é fundamental que os mesmos sejam feitos de um material com elevada condutividade térmica. As chicanas, por sua vez, têm como função guiar os tubos internos e, também, de provocar um escoamento turbulento dentro da carcaça externa. Para simular o mosto de cerveja será utilizada uma vazão de água quente e, como fluido de refrigeração, será utilizada água a temperatura ambiente. Tal substituição de mosto por água quente se da devido a simplificação e economia obtida, alem de saber-se que o fator importante de aquisição, que é a temperatura, se mantêm igual. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Pasteurização da Cerveja No ano de 1876, Louis Pasteur publicou diversos trabalhos sobre suas pesquisas sobre a cerveja. Ele comprovou que a fermentação alcoólica assim como a deterioração microbiológica é ligada a organismos vivos. Através de experimentos ele comprovou que os microrganismos, que são responsáveis pela fermentação e deterioração da cerveja, morrem em temperaturas mais elevadas. Os trabalhos descreviam um tratamento térmico na garrafa fechada a temperaturas de 69 C até 75 C. Sistemas de pasteurização são utilizados para fornecer cuidadoso tratamento térmico para a cerveja, após o enchimento, assegurando que a qualidade seja mantida até a data limite da estabilidade da cerveja. Para a pasteurização da cerveja, existem vários tipos de trocadores de calor utilizados. Hoje em dia, este processo é automático e mecanizado, chamado de flash pasteurização. Um sistema de flash-pasteurização deve ser dimensionado de acordo com as características do produto, como também dos periféricos e a tecnologia das instalações. Possuem um papel importante: o teor de CO2, lúpulo, levedura e extrato residual, o grau de fermentação, as condições microbiológicas e o tipo de cerveja. O processo atual de pasteurização da cerveja mecanizado se dá por esguichos de água quente sobre as garrafas que passam por baixo, começando numa temperatura mais baixa e aumentando gradativamente até o meio do equipamento onde se há a temperatura de pasteurização. Desse ponto para frente a temperatura é diminuída gradativamente, com a saída possuindo a mesma temperatura da entrada 6

7 3. FUNDAMENTAÇÃO 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 misturam-se, ou podem estar em contato. De acordo com Incropera, há três tipos básicos de trocadores de calor. São eles: coaxial, casco e tubo e os compactos. Falaremos somente a respeito do trocador utilizado Tipo de Trocadores de Calor Casco Tubo Quando a área da troca térmica é grande, o tipo de trocador recomendado é o de carcaça e tubo. Neste tipo de resfriador é possível conseguir elevadas áreas de troca térmica, de maneira econômica e prática, montando-se os tubos em feixes; as extremidades dos tubos são fixadas num espelho. O feixe de tubos é colocado numa envoltória cilíndrica (a carcaça) por onde circula o segundo fluido, em volta do feixe e por entre os tubos. O escoamento paralelo em todos os tubos e a baixa velocidade contribuem para coeficientes de transferência de calor baixos e para pequena queda de pressão. As chicanas são instaladas para aumentar o coeficiente de convecção do fluido no lado do casco Estilo de Escoamento De acordo com o arranjo de fluxo, os trocadores de calor podem ser classificados deduas maneiras: trocador de calor em fluxo paralelo ou trocador de calor contracorrente. Na configuração de fluxo paralelos dois fluidos entram no trocador do mesmo lado, e fluem em paralelo um ao outro para o outro lado. Em trocadores de calor contracorrente os fluidos entram no trocador de lados opostos. O projeto contracorrente é mais eficiente, neste pode-se transferir a maior parte do calor do meio quente. No que diz respeito a direção do escoamento há três formas principais: paralelo, contracorrente e cruzado. Podendo ainda ter o a combinação de dois fluxos, por exemplo, o contracorrente e cruzado. Escoamento contracorrente: Nesta configuração temos os fluidos entrando pelas extremidades opostas, conseqüentemente o escoando em sentidos opostos. As temperaturas de entrada e saída de cada tubo podem ser verificadas na abaixo onde pode verificar também o comportamento desta temperatura ao longo do trocador. Nota-se que para as mesmas configurações o trocador de contra corrente consegue uma diferença de temperaturas maior quando comparado ao com fluxo paralelo. 7

8 Figura 1 - Escoamento Contracorrente Considerando o problema permanente, desprezando a parte transiente, nessa configuração, para trocador de duplo-tubo, a troca térmica é mais homogênea entre os fluidos ao longo do comprimento do trocador. No caso de escoamento contra corrente, as diferenças de temperatura entre os fluidos na entrada e na saída do trocador são menores e assim o gradiente de troca de calor é mais homogêneo ao longo de todo trocador. No caso do fluido quente estar sendo resfriado, ambos fluidos tendem a se aproximar de uma mesma temperatura de referência para um comprimento de tubo suficientemente grande. Contudo nunca chegarão a ter a exatamente a mesma temperatura por haver uma resistência térmica entre ambos os fluidos Método da diferença de temperatura média logarítmica (LMDT) O método da diferença de temperatura média logarítmica (LMDT) consiste na aplicação da equação generalizada de taxa de transferência de calor em um problema puramente convectivo, mostrado pela equação 1. Com este equacionamento pode-se estimar a taxa de transferência de calor global do trocador de calor conhecendo-se o coeficiente global de transferência térmica (U), a área representativa de troca térmica (A) e a diferença de temperatura média logarítmica (ΔTml). No qual a diferença de temperatura média logarítmica é dado por: (1) (2) Já o coeficiente global de transferência de calor (U) é definido como o coeficiente de película global representativo do trocador de calor. O circuito térmico de um trocador duplo tubo está representado abaixo. 8

9 Na literatura encontram-se valores representativos de U, como pode ser visto na Tabela1 Tabela 1 : Valores representativos do 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 * *(μ< 0,0005 Kg/s m), ** (μ>0,001 Kg/s m) 3.3. Vazão Volumétrica Para o caso presente no trabalho proposto, a medição de vazão pode ser feita de forma simples. Como a nossa medição de vazão não precisa ter uma exatidão elevada um medidor por tanque aferido se torna ideal; tanto pela sua versatilidade, quanto por respeitar todas as condições para uma medição com erros minimizados que o sistema utilizado tem como requisitos. O controle da vazão volumétrica que passa pelo trocador é de extrema importância, pois ela é diretamente responsável pela quantidade de troca de calor obtida com o equipamento. Variando a mesma iremos obter uma variação positiva ou negativa na variação de temperatura do fluido quente. O controle da vazão, portanto, permite determinar se é possível ou não aumentar a eficiência do componente. Uma das formas mais comuns e simples de realizar tal medição é através da medição por tanque aferido Medidor de vazão por tanque aferido Um exemplo clássico para a medição de vazão é a realização do cálculo a partir do enchimento completo de um reservatório através da água que escoa por uma torneira aberta. Considere que ao mesmo tempo em que a torneira é aberta um cronômetro é acionado. Supondo 9

10 que o cronômetro foi desligado assim que o tanque ficou completamente cheio marcando um tempo t, uma vez conhecido o volume V do balde e o tempo t para seu completo enchimento, a equação é facilmente aplicável resultando na vazão volumétrica desejada. 4. METODOLOGIA E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O experimento proposto para o desenvolvimento está esquematizado abaixo, sendo utilizado com o modelo teórico para elaboração do protótipo. Figura 2 - Proposta do projeto 4.1. Adaptação do modelo teórico ao protótipo e construção Primeiramente foi pesquisado sobre os tipos de trocadores de calor existentes. Pós uma prévia análise de custo benefício, foi decidido que seria feito um trocador de calor tipo casco tubo. O fluxo do líquido de arrefecimento utilizado foi contracorrente e vários perturbadores foram adicionados à tubulação para aumentar a turbulência e com isso aumentar a troca de calor entre os fluídos. Foi feita uma modelagem do projeto para ter uma visão melhor de como a montagem final iria ficar. Com base na Figura 3 podemos ter uma base do arranjo final. Figura 3 - Projeto do trocador de calor tipo casco tubo utilizado no processo de pasteurização de cerveja no laboratório 10

11 Para a construção do protótipo de um trocador de calor casco e tubo foram utilizados os seguintes materiais que seguem na e na Figura 3. Tabela 1 - Lista de materiais utilizados na construção do trocador de calor para a pasteurização do mosto de cerveja e seus respectivos custos Tabela de Custos Item Quantidade Valor Unitário Total Niple 1/2" NPT 4 R$ 0,50 R$ 2,00 Tampão PVC 75mm 2 R$ 3,90 R$ 7,80 Cano PVC 75mm 2 R$ 9,00 R$ 18,00 Tubo de cobre 3/8" 7 R$ 15,00 R$ 105,00 Cola para PVC 1 R$ 9,00 R$ 9,00 Poxilina 1 R$ 9,00 R$ 9,00 Barra roscada 5mm 3 R$ 1,50 R$ 4,50 Porcas 5mm 40 R$ 0,10 R$ 4,00 Gastos Totais com o Protótipo R$ 159,30 Figura 4 - Materiais utilizados na construção do trocador de calor para arrefecimento do mosto de cerveja 4.2. Passos para a montagem do trocador: 1 passo: Desenrolar e cortar os tubos de cobre: Como o tubo de cobre é vendido somente na forma enrolada, foi necessário a deixá-lo o mais reto possível. Nesta etapa foi tomado bastante cuidado para proporcionar que os tubos ficassem com o melhor acabamento possível. Os tubos foram cortados na medida de 93 cm de comprimento. 11

12 2 passo: Corte do cano de PVC para a confecção da carcaça: O cano de PVC foi cortado no comprimento de 1 metro, para comportar tanto a estrutura dos tubos de cobre como as câmaras de admissão e exaustão de fluido quente. 3 passo: Confecção das chicanas: Para a obtenção das chicanas primeiramente foi cortada uma seção do tubo de PVC e então realizado um corte longitudinal na mesma. Após o tubo estar devidamente cortado, partiu-se para a etapa de aplainamento do PVC, utilizando para isso a chama de um fogão de cozinha. Uma vez com a chapa de PVC em mãos, foram realizadas as marcações para o corte no diâmetro certo das chicanas e para as furações nas mesmas. O corte e as furações foram realizadas com o auxilio de formas quentes. 4 passo: Montagem das chicanas nas guias: Após as chicanas estarem devidamente prontas, foi realizada a etapa de encaixe das mesmas nos três fusos guias. A ordem de montagem obedeceu a seqüência que possibilitou defasagem de ângulos de 30 graus entre as aberturas de passagem para chicanas adjacentes. Cada chicana foi fixada com porcas em cada um de seus lados. 5 passo: Encaixe dos tubos de cobre e da carcaça de PVC: Tendo as chicanas montadas foi possível realizar o encaixe dos tubos (Figura 5) e da carcaça. Figura 5 - Pré-Montagem do protótipo de trocador de calor utilizado na pasteurização do mosto de cerveja 6 passo: Encaixe dos tampões e vedação: O ultimo passo consistiu na vedação das câmeras de admissão e exaustão de fluido quente bem como na vedação de todos os niples. A vedação (Figura 6) visa impossibilitar a mistura do fluido quente com o fluido frio. 12

13 Figura 6 - Vedação do trocador de calor utilizado na pasteurização do mosto de cerveja Após todos essas etapas, obtemos um trocador de calor casco e tubo de 1 metro de comprimento, 100% vedado contra infiltrações e com um tamanho compacto. A configuração final pode ser vista na Figura 7. Figura 7 - Montagem final do trocador de calor utilizado na pasteurização do mosto de cerveja 5. VALIDAÇÃO E RESULTADOS 5.1. Escoamento contracorrente O trocador de calor tipo casco tubo é um tipo de trocador que já foi amplamente estudado e sua otimização já é conhecida para determinados casos. Dessa forma, já sabemos de antemão que o fluxo contracorrente nos dará um maior arrefecimento do líquido quente, no caso, o mosto. O trocador foi então testado utilizando apenas o fluxo contracorrente. A temperatura do boiler não chegou aos 75ºC esperados, então prosseguimos o experimento com a temperatura de aproximadamente 55ºC para o mosto aquecido. A temperatura ambiente da água se encontrava em torno de 25,95ºC. Os resultados são apresentados na Erro! Fonte de referência não encontrada. abaixo: Tabela 2 - Dados coletados no experimento Temperaturas e Vazões Líquido Refrigerante Líquido Arrefecido Entrada Saída Vazão Entrada Entrada Saída Vazão Saída T 25,95 ºC 27,93 ºC 10 L/min 55,7 ºC 30 ºC 3 L/min 25,7 ºC 25,94 ºC 31,23 ºC 10 L/min 55,52 ºC 40,25 ºC 6 L/min 15,27 ºC 13

14 5.2. Medição da Vazão O vaso foi calibrado em relação ao vaso existente no laboratório, o qual já havia sido previamente calibrado. Fizeram-se então medidas de vazão para se obter o erro sistemático e o erro aleatório de um dos integrantes do grupo, bem como para ser possível ter uma idéia da incerteza de medição associada ao método. As incertezas de medição podem ser atribuídas vários fatores, tais como: o número de casas decimais do cronômetro fornecido, o erro de paralaxe na medida no vaso calibrado, o erro de paralaxe na medida obtida no rotâmetro, o atraso no reflexo do operador do cronômetro, a calibração do vaso em relação ao vaso tido como padrão, a calibração do vaso tido como padrão. Tomou-se o máximo cuidado para que os erros fossem minimizados, de tal forma que os consideramos desprezíveis. O tempo de resposta médio do ser humano é de aproximadamente 190 [ms] para humanos saudáveis. Assim buscamos tomar tempos de medidas maiores, de forma a minimizar os erros de acionamento e parada do cronômetro. Os resultados são apresentados na Tabela 3: Tabela 3 - Medidas de Vazão Fazer um número de medições grande acarreta em utilizar mais tempo para as medições. De tal forma seria apropriado utilizar um número maior de medições nas vazões mais elevadas, pois o erro mostrou-se maior, e pelo fato de se fazerem as medições de maneira mais rápida. A turbulência provocada por grandes vazões também é um fator que propicia maior chance de erro. 14

15 6. CONCLUSÃO Com o medidor de vazão construído foi obtida uma redução considerável na temperatura do fluido quente. Levando em conta que o trocador de calor utilizado foi um protótipo, atrelado a custos e métodos de fabricação bastante restritivos, pode-se afirmar que o mesmo cumpriu satisfatoriamente com a sua função, reduzindo drasticamente a temperatura do fluido quente para o mais próximo possível da temperatura do fluido frio, utilizando-se de uma vazão alta de fluido de arrefecimento. O trocador de calor do tipo casco e tubo testado apresentou maior eficiência para vazões menores de fluido quente e para maiores do fluido frio, resultado já esperado para um tipo de trocador de calor casco tubo. Os resultados obtidos foram considerados satisfatórios, porém sabe-se que poderiam ter sido ainda melhores(obtendo uma maior troca de calor entre os fluidos) se houvesse um maior numero de chicanas ao longo do comprimento do casco para, assim, aumentar o nível de turbulência presente no fluido de arrefecimento, interferindo diretamente na eficiência do trocador. Porém, haviam restrições orçamentárias no projeto, o número de tubos ficou limitado a uma pequena quantidade, diminuindo a eficiência do trocador. Para o trocador de calor utilizado, com 5 chicanas, 7 tubos de cobre, para uma vazão de 3L/min de fluído quente, com uma vazão de 10L/min de fluido de arrefecimento, notou-se uma variação de temperatura de 25,7ºC, quando que com uma vazão de 6L/min de líquido quente e 10L/min de líquido frio, chegamos a uma variação de temperatura de 15,27ºC. A medição de vazão por tanque aferido, mesmo sendo um método bastante simples, apresentou erros praticamente desconsideráveis para baixas vazões (erro de 0,53% para vazão de 2L/min) e erros consideráveis para altos níveis de vazão (erro entre 5 e 9% para vazão de 10L/min). Porém, os medidores convencionais também não nos mostram a vazão exata, pois possuem incertezas de medição. Um dos pontos que os diferencia para melhor, comparando com o tanque aferido, é que ele nos dá a vazão instantânea, quando o tanque aferido não o faz. 15

16 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F. P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York: John Wiley & Sons. FOX, R.W. e MCDONALD, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro. SCHNEIDER, P. S., 2007, Incertezas Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. de Medição e Ajuste de Dados. Universidade 16

17 ANEXOS ANEXO A Folha de Avaliação 17