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

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROJETO DE UM TROCADOR DE CALOR PARA UM PASTEURIZADOR DE CERVEJA por Fábio Henrique Johann Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2011

2 RESUMO Este trabalho apresenta a construção de um trocador de calor compacto, com o objetivo de reduzir a temperatura de uma corrente de aguá captado a temperatura de aproximadamente 75C e a pressão atmosférica e levá-la o mais próximo possível da temperatura do ambiente. O trocador de calor foi construído com canos de PVC, tubos de plastico e tubos de cobre. O projeto foi montado de forma que o fluido quente escoe nos tubos de cobre e a água de resfriamento escoe nos tubos de plastico em sentidos opostos, formando um trocador de calor de contracorrente. Nas extremidades do trocador de calor foram instaladas saídas, para que se possa fazer a medição de vazão por tanques aferidos. PALAVRAS-CHAVE: Trocador de calor, medidor de vazão mássica, escoamento. 2

3 ABSTRACT This paper presents the construction of a compact heat exchanger, in order to reduce the temperature of a stream of water temperature of 75C and atmospheric pressure and take it as close to the ambient temperature. The heat exchanger was built with PVC pipes, plastic pipes and tubes of aluminum. The project was set up so that the hot fluid flow in the aluminum pipes and cooling water flow in plastic tubes in opposite directions, forming a countercurrent heat exchanger. At the ends of the heat exchanger, outlets were installed, so you can make the measurement of flow by tanks. KEYWORDS: heat exchanger, mass flow meter, flow. 3

4 SUMÁRIO Pág. 1. INTRODUÇÃO 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 7 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 8 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS VALIDAÇÃO RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 15 4

5 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS A Área do tubo [mm 2 ] L Comprimento [mm] m Vazão mássica [kg/s] di Diâmetro interno [mm] de Diâmetro externo [mm] Di Diâmetro interno [mm] De Diâmetro externo [mm] ρ Massa específica do fluido [kg/m³] V Velocidade; [m/s] μ Viscosidade. [Pa.s] Re Número de Reynolds 5

6 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho foi elaborado diante do desafio da realização de um primeiro projeto de engenharia, baseado em conhecimentos teóricos previamente estudados na disciplina de Transferência de Calor e Medições Térmicas, com o objetivo de criar um modelo real após aplicado a teoria. Apesar de ser um projeto simples, instigou o aluno a elaborar ideias que pudessem atender aos requisitos impostos, fato que é comum na profissão de um engenheiro. Trocadores de calor se apresentam de várias formas e em diversos equipamentos, desde grandes equipamentos industriais até radiadores de carros, sendo assim, estamos lidando com um projeto que ocorre em muitas aplicações de engenharia. Nosso objetivo nesse trabalho é criar um trocador de calor compacto e simples, que possa levar um fluido em alta temperatura, até uma temperatura próxima da ambiente. O resfriamento se dá através da troca de calor entre dois fluidos, neste caso, os dois sendo água potável. Além disso devemos fazer a medição da vazão desses dois fluidos, para isso utilizaremos uma medição por tanques aferidos. 6

7 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Uma cerveja é qualquer uma das variedades de bebidas alcoólicas produzidas pela fermentação de matéria com amido, derivada de cereais ou de outras fontes vegetais. As fábricas de cerveja e de algumas outras bebidas alcoólicas são geralmente chamadas de cervejarias. Historicamente, a cerveja era já conhecida pelos sumérios, egípcios e mesopotâmios, desde pelo menos a.c. Como os ingredientes usados para fazer cerveja diferem de acordo com o local, suas características (tipo, sabor e cor) variam amplamente. A cerveja tornou-se vital para todas as civilizações produtoras de cereais da antiguidade clássica, especialmente no Egipto e na Mesopotâmia. O Código Babilônico de Hamurabi dispunha que os taverneiros que diluíssem ou sobretaxassem a cerveja deveriam ser supliciados. A cerveja teve alguma importância na vida dos primeiros romanos, mas durante a República Romana, o vinho destronou a cerveja como a bebida alcoólica preferida, passando esta a ser considerada uma bebida própria de bárbaros. Tácito, em seus dias, escreveu depreciativamente acerca da cerveja preparada pelos povos germânicos. A maior parte das cervejas, até tempos relativamente recentes, eram do tipo que agora chamamos de ales. As lagers foram descobertas por acidente no século XVI, quando a cerveja era estocada em frias cavernas por longos períodos; desde então elas ultrapassaram largamente as cervejas tipo ale em volume. O uso de lúpulo para dar o gosto amargo e preservar é uma invenção medieval, atribuída aos monges do Mosteiro de San Gallo, na Suíça. O lúpulo é cultivado na França desde o século IX. Via de regra, as cervejas são feitas com água, cevada maltada e lúpulo, fermentados por levedura. A adição de outros condimentos ou fontes de açúcar não é incomum. A cerveja é resultado da fermentação alcoólica preparada de mosto de algum cereal maltado, sendo o melhor e mais popular a cevada. A água corresponde a aproximadamente 90% na composição da cerveja. Mas não importa de qual localidade ela venha, pois a água utilizada nas atuais cervejarias passa por um processo de preparação, que a transforma em água cervejeira. Essa tecnologia, aliada a rígidos controles de qualidade, fazem com que o líquido usado em qualquer fábrica seja igual. Antigamente, a origem dessa água e as suas características tinham um efeito importante na qualidade da cerveja, influenciando, por exemplo, o seu sabor. Muitos estilos de cerveja foram influenciados ou até mesmo determinados pelas características da água da região. Dentre os maltes, o de cevada é o mais frequente e largamente usado devido ao seu alto conteúdo de enzimas, mas outros cereais maltados ou não maltados são igualmente usados, inclusive: trigo, arroz, milho, aveia e centeio. A introdução do lúpulo foi relativamente recente na sua composição. Acredita-se que tenha sido introduzido apenas há umas poucas centenas de anos atrás. Usa-se a flor do lúpulo para acrescentar um gosto amargo que equilibra a doçura do malte e possui um efeito antibiótico moderado que favorece a atividade da levedura de cerveja em relação a organismos menos desejados durante a fermentação como os frequentemente encontrados em corpos em decomposição ou fezes de animais. As leveduras, nesse processo, metabolizam os açúcares extraídos dos cereais, produzindo muitos compostos, incluindo o álcool e dióxido de carbono. Dezenas de estirpes de fermentos naturais ou cultivados são usados pelos cervejeiros, sendo, de um modo geral, sortidos por três gêneros: ale ou de fermentação alta, lager ou de baixa fermentação, e leveduras selvagens. As cervejas costumam ter entre 4 a 5% de teor alcoólico, ainda que este possa variar consideravelmente conforme o estilo e o cervejeiro. De fato, existem cervejas com teores alcoólicos desde 2% até mais de 20%. 7

8 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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 direto. Um permutador de calor é normalmente inserido num processo com a finalidade de arrefecer (resfriar) ou aquecer um determinado fluido. São amplamente usados em aquecedores, refrigeração, condicionamento de ar, etc. O material usado na fabricação de trocadores de calor, geralmente possui um coeficiente de condutibilidade térmica elevado. Sendo assim, são amplamente utilizados o cobre e o alumínio e suas ligas. A eficiência de um trocador de calor depende principalmente: Do material utilizado para construção; Da característica geométrica e Do fluxo, temperatura e coeficiente de condutibilidade térmica dos fluidos em evidência. 2.1 Trocador de calor casco e tubo Trocadores de calor casco e tubo consistem de uma série de tubos. Um conjunto destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor ou absorver o calor necessário. Figura 1. Trocador de calor casco tubo Existem várias características de projeto térmico, que devem ser tidas em conta quando projeta-se os tubos na nos trocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem: Diâmetro dos tubos: Usar-se tubos de pequeno diâmetro faz o trocador de calor tanto econômico como compacto. Espessura de parede de tubo. Comprimentos dos tubos: trocadores de calor são normalmente mais baratos quando tem um menor diâmetro de casco e um longo comprimento de tubo. Passo dos tubos: quando projeta-se os tubos, é prático para garantir que o passo (pitch) dos tubos não seja inferior a 1,25 vezes o diâmetro dos tubos externos. Corrugação dos tubos: para os tubos internos, aumenta a turbulência dos fluidos Distribuição ou configuração (layout) dos tubos: refere-se a como os tubos são posicionados dentro do casco. Projeto das chicanas: chicanas ou defletores são usados em trocadores de calor casco e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. 8

9 3.1 Equação de Troca Térmica Matematicamente a troca de calor em permutadores é dada pela equação: Onde : Q é a quantidade de calor transferida A é a área de troca térmica U é o coeficiente global de transferência de calor é o diferença média logarítmica de temperatura (3.1) A taxa de transferência de calor requerida pode ser obtida em um balanço de energia global em regime estacionário, dado pela equação: Onde : Q é a quantidade de calor transferida mq é a vazão mássica de fluído cp é o calor específico do fluido é a diferença de temperatur (3.2) 3.2. Coeficiente Global de Transferencia de Calor O coeficiente global depende da construção, operação correta e do tempo de operação do trocador, das propriedades e vazão dos fluidos. A construção do trocador com tubos espessos diminuirá a transferência de calor por condução consequentemente menor o U. Outro fator que influi na transferência é a turbulência, pois com ela aumentamos a convecção. As propriedades dos fluidos tais como condutividade térmica e viscosidade influem na transferência de calor por condução e convecção respectivamente. 3.3 Transmissão de Calor no Interior dos Tubos Classifica-se a transmissão de calor no interior de um tubo de acordo com os regime de escoamento em 3 tipos cujo os limites de cada tipo é definido pelo número de Reynolds. Regime Laminar Re < Regime de Transição < Re < Regime Turbulento Re > No regime laminar a transferência de calor se dá principalmente por condução entre as camadas do fluido. Nos regimes de transição e turbulento a transferência de calor passa a ser principalmente por convecção forçada. O número de Reynolds, que é calculado pela equação: ρ é a massa específica do fluido V é a velocidade; D é o diâmetro do tubo; μ é a viscosidade. (3.7) 9

10 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para a construção do trocador de calor foram utilizados: Cano de PVC de 100 mm de diâmetro. Cano de PVC de 50 mm de diâmetro. Tubo de cobre de 3/8 Conexões de PVC de ¾ Para o medidor de vazão foram usados: Dois registros ¾ Conexão T de ¾ Cano prolongador com conexões de 3/4 A ideia do trocador de calor iniciou com um projeto de trocador casco tubo. Partindo da equação 3.1, onde a troca de calor está diretamente ligado a área total pra troca de calor, e pensando na maior área com o trocador sendo o mais compacto possível, foi decidido fazer o tubo de cobre em forma de espiral. Além disso, com o tubo em forma de serpentina teremos um comprimento maior da tubulação que escoa o fluido quente aumentando o tempo de contato entre o fluido quente e o fluido refrigerante. O tubo de casco foi escolhido o de 100 mm para podermos ter uma espiral do tubo de cobre maior, o material de cobre foi escolhido pela sua alta condutividade térmica. Um tubo de 50 mm foi colocado no centro do cano de 100 e da espiral dos tubos de cobre. O tubo central foi colocado pois, partindo da equação da vazão mássica e da vazão. Como a vazão mássica é constante, ro é constante, então diminuindo a área iremos aumentar a velocidade do fluido escoando. Além disso restringimos o fluxo para a área que está a serpentina. O fluxo também ficara altamente turbulento, pois a própria serpentina serve como chicanas e produz turbulência no escoamento. A montagem final do trocador de calor ficou da seguinte forma Fig. 1 Vista frontal Fig. 2 Vista Lateral Já o medidor de vazão será realizado a partir de tanques aferidos, a saída do escoamento é uma descarga à pressão atmosférica, que é recolhida num reservatório. A medida da diferença de nível no reservatório, ao longo de um período de tempo informa a vazão volumétrica Em uma das entradas ou saídas dos dois fluidos sera acoplado um T com 2 registros, devemos apenas fechar o 10

11 registro que alimenta o trocador e abrir o registro que alimenta o tanque aferido e com a ajuda de um cronometro medimos o tempo que ira demorar para encher o tanque de 700ml. As fotos do trocador de calor e do medidor estão a seguir. Fig.3 Trocador de calor montado Fig. 4 Dispositivo para medição de vazão 11

12 5. VALIDAÇÃO Para realizar a calibração e a incerteza de medição tomamos algumas medidas de vazão no tanque aferido e comparamos os valores com o do equipamento inalado no LETA. Os valores obtidos para diferentes faixas de vazão estão apresentados na tabela a seguir. Tabela 1. Valores de medição de vazão Volume (ml) Tempo (s) Medição Leta (l/min) Medição tanque (l/min) ,05 3,1 2, ,5 4,1 3, ,55 6,1 6, ,79 8,1 8, ,85 10,1 10,9 Podemos ver que a variação do valor obtido pelo tanque aferido varia dentre 0,2 l/min até 0,8 l/min. Para valores maiores que 4 l/min, que será faixa que nosso trocador irá trabalhar, o erro sempre é para mais, então iremos somar um valor de 0,5 l/min sempre que realizarmos a medição por tanque aferidos e quisermos comparar com o valor do equipamento do LETA. Em vazão maiores o erro de medição é maior devido a incerteza do momento em que o tanque enche devido a turbulência do fluido. Para determinarmos a incerteza da medição iremos tomar algumas medidas de tempo para uma vazão fixa, após fazer alguma medidas para um tempo fixo. Os valores obtidos estão apresentado nas tabelas a seguir. Tabela 2. Valores para vazão medidos pelo tanque aferido Volume fixo (ml) Tempo (s) Tempo médio fixo (s) Volume (ml) ,7 37, ,1 37, ,8 37, ,9 37,5 690 Tempo médio 37,5 Volume médio 685 Com esses valores podemos calcular a incerteza da medição pelo tanque subtraindo o valor esperado do valor obtido e dividindo pelo valor esperado. A incerteza obtida pelos cálculos foi de 2,14%. 12

13 5. RESULTADOS Os resultados obtidos estão apresentados a seguir. As valores foram obtidos para uma vazão de 3 l/min para água quente e de 6 l/min para aguá fria. A montagem foi realizada para um trocador de calor de contracorrente. Fig. 5 Resultados experimento No teste do trocador de calor, água quente entrava numa vazão de 3 l/min com uma temperatura de 53,6 C e deixava o trocador com uma temperatura de 35,5 C. Água fria entrava no casco do trocador com uma vazão de 6 l/min com uma temperatura de 26 C e deixou o trocador com uma temperatura de 32,6 C. O valor obtido foi de 9 C acima da temperatura ambiente, o que foi considerado satisfatório. Poderia ser diminuído a vazão de água quente para obtermos uma 13

14 6. CONCLUSÕES Conclui-se a montagem do trocador de calor foi feita com o embasamento teórico na tentativa de fazer um trocador de calor com a maior área de contato e com o trocador o mais compacto possível, para isso foi utilizado as equações que regem as trocas de calor como suporte para o projeto. Além disso conceitos de medição e vazão em encanamentos, como velocidade e turbulência do escoamento para colocar fatores positivos para a troca de calor entre os fluídos. A obtenção dos resultados foram satisfatórios com a água com uma temperatura muito próxima da ambiente, ficando 9C acima, e a medição de vazão obteve uma incerteza de 2,14%. Por fim, pode se concluir que o projeto agregou conhecimento ao estudante, colocando o mesmo em uma situação de criar um projeto a partir de condições desejadas, algo que faz parte da vida de um engenheiro. 14

15 8. REFERÊNCIAS HALLIDAY, D. RESNICK, R. WALKER, J. Fundamentos de Física, vol. 3. Livros técnicos e científicos, Rio de Janeiro, 4ª ed., SCHNEIDER, P. S. Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Wikipédia, 15

16 A tabela de avaliação Capacidade de leitura na faixa indicada Perda de carga Incertezas Criatividad e Conformid ade com as normas de redação do concurso