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 TROCADOR DE CALOR PARA PASTEURIZAÇÃO DE CERVEJA por João Pedro Fão Felipe Nunes Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro 2011

2 FÃO, J. P., NUNES, F. Trocador de Calor para Pasteurizador, Trabalho de conclusão da disciplina Medições Térmicas do curso Engenharia Mecânica - Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011 RESUMO Esse trabalho apresenta o desenvolvimento e a construção de um trocador de calor, que será utilizado para o processo de pasteurização de cerveja, que consiste no resfriamento do mosto quente, através da troca de calor com fluido refrigerante. O pasteurizador foi construído a partir de uma tubulação interna de cobre e tubulação externa de latão, material usualmente utilizado em condensadores para processo de produção de energia. O funcionamento do trocador resume-se na passagem do líquido quente através da tubulação de cobre e a passagem do líquido frio através da tubulação externa de latão, em contracorrente. A vazão do trocador de calor foi medida através da taxa de variação de altura de um reservatório de saída do mosto e do fluido refrigerante. O resultado da medição da vazão e da efetividade do trocador de calor foi considerado satisfatório na medida em que as condições de fabricação do pasteurizador foram artesanais. PALAVRAS-CHAVE: Pasteurizador, trocador de calor, cerveja. 2

3 FÃO, J. P., NUNES, F. Trocador de Calor para Pasteurização, Trabalho de conclusão da disciplina Medições Térmicas do curso Engenharia Mecânica - Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011 ABSTRACT This work shows a construction and development of heater exchanger that will be used as beer pasteurizer which consist in cooling the hot wort by exchanging heat with refrigerant fluid. The pasteurizer was built with internal cooper pipe and external brass pipe, material often used in condensers to produce energy. The exchanger operation can be explained in the passage of cold fluid inside of cooper pipe and passage of heat fluid inside of brass pipe in countercurrent. The heat exchanger flow was measured by varying the height of a reservoir of wort and output of refrigerant fluid. The flow calibration and heat exchanger efficiency were satisfactory because the manufacturing conditions of these devices were handmade. 3

4 SUMÁRIO Pág 1. INTRODUÇÃO 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 8 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS VALIDAÇÃO RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE 16 4

5 LISTA DE ABREVIAÇÕES, SIGLAS E LISTA DE SÍMBOLOS = Calor = Vazão Mássica = Entalpia = Calor Específico à Pressão Constante = Temperatura do Fluido = Coeficiente Global de Transferência = Área = Vazão Volumétrica V= Velocidade 5

6 1.INTRODUÇÃO O atual trabalho foi desenvolvido com a motivação de um grupo de engenheiros mecânicos em formação, os quais elaboraram o primeiro projeto de um trocador de calor, que tem por função realizar o processo de pasteurização da cerveja artesanal, que será produzida no LETA, Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos da UFRGS. Tal trabalho foi de grande eficiência para o aprendizado, uma vez que foi possível realizar o intercâmbio entre as teorias aprendidas nas disciplinas de Transferência de Calor e Massa e na disciplina de Medições Térmicas com a prática do desenvolvimento de um equipamento responsável por realizar trocas térmicas. Mesmo que simples, o projeto desse trocador de calor mostra-se significativamente útil em processos industriais de pasteurização como, por exemplo, leites, iogurtes e cervejas, que consistem em resfriamento rápido do produto. Além disso, o baixo custo financeiro e a facilidade na fabricação são outras vantagens desse projeto. O método utilizado pelo grupo na determinação da eficiência do trocador ao longo da construção foi a análise da variação de temperatura dos fluidos na entrada e na saída da tubulação e ajuste das vazões. Com esses dados, os cálculos da transferência de calor foram efetuados, através do método de coeficiente global de transferência de calor, com o objetivo de obter-se a melhor troca térmica aliada à melhor relação de vazões entre fluido quente e frio, pois esses são os indicadores que determinam a eficiência e eficácia do pasteurizador. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 PRODUÇÃO ARTESANAL DE CERVEJA A produção de cerveja inicia-se com a obtenção do chamado mosto, que consiste basicamente na mistura do malte triturado com água, a uma temperatura específica. Logo após a obtenção do mosto, inicia-se o processo de pasteurização. Entende-se por pasteurização um processo genérico o qual visa tratar termicamente o alimento no intuito de eliminar os microorganismos ali existentes, inclusive os patogênicos. No caso da cerveja é usual a elevação da temperatura do mosto à 76ºC. 2.2 TROCADORES DE CALOR PRINCIPAIS DISPOSITIVOS: A operação de troca térmica é efetuada em equipamentos denominados genericamente de trocadores de calor. São dispositivos que efetuam a troca térmica entre dois fluidos, usualmente separada por uma parede sólida, através dos mecanismos de condução e convecção, como é observado por COSTA ARAÚJO (2002). Dentre os principais tipos de trocadores de calor em termos de geometria destacam-se: i. Duplo tubo; ii. Casco e tubo; iii. Placas; iv. Outros: Trocadores compactos, resfriadores de ar, variações do casco e 6

7 tubo TROCADOR DE CALOR DUPLO TUBO O trocador duplo tubo (Fig. 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. Figura 1 Trocador Duplo Tubo Vantagens: - Facilidade de construção e montagem. - Possibilita ampliação de área. - É de fácil manutenção. - Fácil acesso para limpeza de ambos os lados do escoamento. Desvantagens: - Ocupa grande espaço por unidade de área de troca térmica TROCADOR DE CALOR DUPLO TUBO COM CONTRA CORRENTE Nessa forma de alimentação, os fluidos entram no trocador em extremidades opostas percorrendo-o em sentido contrario. Nesse caso, a temperatura de saída do fluido frio pode ser maior que a temperatura de saída do fluido quente. Isso torna a operação em contracorrente mais vantajosa que a operação em paralelo, pois a quantidade de calor que é possível transferir durante o percurso é maior. Abaixo (Fig. 2) pode ser visualizado o gráfico com as variações de temperatura. De acordo com esse gráfico, a variação de temperatura é constante ao longo do trocador. 7

8 Figura 2: Variação da temperatura dos fluidos do trocador contracorrente. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 EFETIVIDADE DE UM TROCADOR DE CALOR A efetividade de um trocador de calor é um indicador do seu desempenho térmico, sendo calculado através da razão entre a taxa de calor real trocado e a máxima taxa de calor possível, conforme segue: ( ) (1) Onde é a taxa de calor real em (W) e é a máxima taxa de calor possível no trocador em (W). É evidente que a efetividade será um valor entre 0 e 1. Da definição de efetividade, seu valor está relacionado com as temperaturas de entrada do trocador como segue: ( ) (2) Onde é a temperatura inicial do fluido em (ºC), a temperatura final do fluido em (ºC), é o menor valor da capacidade térmica em W/m², considerando a capacidade tér- 8

9 mica dos dois fluidos que trocam calor. Essa propriedade indica o quanto de energia o fluido pode transferir ou absorver, sendo definida pela equação abaixo: (3) Onde é a vazão mássica em (kg/s) e é o calor específico em (J/(kg.K)). 3.2 NÚMERO DE UNIDADES DE TRANSFERÊNCIA (NUT) O número de unidades de transferência (NUT) é a razão entre as taxas de capacidade calorífica do trocador de calor e do escoamento. Esse número é adimensional definido como: (4) Onde U é o coeficiente global de transferência de calor em (W/m.K), A é área pela qual o calor é transferido em (m²). 3.3 MÉTODO DA EFETIVIDADE DO NÚMERO DE UNIDADES DE TRANSFERÊNCIA (NUT) O método da efetividade do Número de Unidades de Transferência (NUT) é utilizado para determinar a temperatura final dos fluidos que trocam calor de uma forma mais simples quando comparado ao método da Diferença Média Logarítmica de Temperatura (DMLT), na medida em que calcula os valores diretos sem a utilização de métodos iterativos no problema. O Número de Unidades de Transferência (NUT) e a Efetividade possuem relação direta para qualquer trocador de calor: ( ) (5) A equação matemática que descreve essa relação pode ser encontrada em tabelas e gráficos, conforme o modelo do trocador de calor. A figura 5 mostra uma tabela dessas: 9

10 Figura 3: Tabela com relações entre efetividade e NUT para diferentes trocadores de calor. INCROPERA (2008). Para o projeto do trocador de calor, foram escolhidos dois tubos de materiais altamente condutores de calor. Foi definido que a corrente que passará pelo mesmo será contracorrente, de forma a obter maior rendimento térmico. A partir do equacionamento e tabelas mostrados acima, podemos avaliar o trocador de calor construído, desde que dados de vazão e temperatura dos fluidos de entrada e saída sejam determinados. 3.4 VAZÃO VOLUMÉTRICA Segundo FOX e MCDONALD, (2005), fluidos escoando em uma tubulação com área de secção transversal, A, em (m²), com uma velocidade, v, em (m/s), tem sua vazão volumétrica, em (m³/s) definida como: 10

11 = v.a (6) 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 4.1 CONFECÇÃO A confecção do trocador deu-se de forma artesanal através da utilização de componentes obtidos pele grupo (Apêndice 1). Com relação à parte construtiva, foram feitos furos transversais nas extremidades do tubo externo. Próximo a esses furos, o tubo sofreu uma pequena dobra, para que fosse possível atravessar o tubo de cobre entre os dois furos, por dentro do tubo de latão. Tendo transpassado um tubo dentro do outro, foram feitas soldas para vedar a saída do tubo menor através do tubo maior. As conexões foram soldadas no tubo maior e flangeadas no tubo de cobre. 4.2 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Para determinar-se a eficiência e eficácia do trocador de calor, precisa-se de instrumentos que estimem temperatura nas entradas e saídas dos tubos e um medidor de vazão. A medição da temperatura foi efetuada com termopares instalados nos reservatórios de água quente e fria, para determinação da temperatura de entrada dos fluidos. Para estimar a temperatura de água na saída dos tubos, foram instalados termopares conectados às mangueiras que foram consecutivamente conectadas nos tubos de saída. Para a medição de vazão, foi usado um balde comum, que através de calibração, teve colado na parede externa uma régua graduada compatível aos valores encontrados num rotâmetro instalado no laboratório. Assim basta deixar a mangueira vazando água dentro do balde durante 60 segundos, para obter-se o valor de vazão em l/min. 11

12 Figura 4 Balde responsável por determinação do valor de vazão. Para testar o trocador, foram conectadas duas mangueiras para alimentação e descarga de água quente e duas mangueiras para alimentação e descarga de água fria. Os valores de temperatura foram fornecidos a partir de programa computacional que apresenta os valores de temperatura calculados a partir dos sinais enviados pelos termopares. 5 VALIDAÇÃO Para que os resultados sejam coerentes, o trocador de calor foi conectado à alimentação de água quente e fria durante 10 minutos, antes de medirmos temperatura e vazão. O objetivo disso é avaliar o trocador mediante uma situação de regime estacionário. O medidor de vazão foi graduado de acordo com um rotâmetro instalado no laboratório. Após alguns valores de vazão terem sido relacionados, foram feitas cinco medições com valores de vazões diferentes para garantir que a régua graduada do balde estava de acordo com os valores visualizados no instrumento de gabarito. Com relação às incertezas de medição, faz-se as seguintes considerações: Termopares: 2,2 C ou 0,75% do Valor Medido Rotâmetro: 2% do Fundo de Escala (0,252 [l/min]) Medidor de Vazão: Erro do Rotâmetro + Resolução do Balde = 0, ,2 = 0,5 [l/min] 12

13 6. RESULTADOS Após testar o trocador mediante duas condições, uma com vazão de água fria e quente equilibrada, e outra com vazão de água fria significativamente maior que vazão de água quente, os seguintes dados foram obtidos: Situação Vazão de Água Fria [l/min] Vazão de Água Quente [l/min] T (ºC) de Entrada - Quente T (ºC) de Entrada - Fria T (ºC) de Saída - Quente T (ºC) de Saída - Fria 1 7,9 5 55, ,87 34, ,15 25,89 36,65 30,11 Tabela 1 Dados de Entrada e Saída do Processo Figura 5 Resultados para situação 1 13

14 Figura 6 Resultados para situação 2 De acordo com esses dados podemos fazer a seguinte análise do trocador de calor: 6.1 ESTIMATIVA DA EFICIÊNCIA PARA SITUAÇÃO 1: ( ) ( ) Para essa configuração de vazões de água quente e fria, o trocador apresentou uma eficiência de 66%. 6.2 ESTIMATIVA DA EFICIÊNCIA PARA SITUAÇÃO 2: ( ) ( ) Para essa configuração de vazões de água quente e fria, o trocador apresentou uma eficiência de 69%. 6.3 ESTIMATIVA DO NUT E COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA GLOBAL (U) PARA SITUAÇÃO 1: Considerando que o da água para ambas as temperaturas é um valor próximo de 4,177 kj/kg.k, deve-se determinar o e, utilizando os valores de vazão: 5 = 20,885 7,9 =

15 Tendo o valor de e de, podemos encontrar o NUT através de equação característica de trocador duplo tubo contracorrente, de acordo com a tabela (Fig. 5): Utilizando solução computacional, através do programa EES, obteve-se o seguinte valor de NUT: NUT = 1,466 A partir do valor encontrado de NUT, podemos determinar o coeficiente de troca global (U): De onde obtém-se o seguinte valor de U, considerando a área de troca do tubo de cobre: U = 6,46 W/m².K 6.4 ESTIMATIVA DO NUT E COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA GLOBAL (U) PARA SITUAÇÃO 2: Considerando que o da água para ambas as temperaturas é um valor próximo de 4,177 kj/kg.k, deve-se determinar o e, utilizando os valores de vazão: 3 = 12,531 10= 41,77 0,3 Tendo o valor de e de, podemos encontrar o NUT através de equação característica de trocador duplo tubo contracorrente, de acordo com a tabela (Fig. 5): Utilizando solução computacional, através do programa EES, obteve-se o seguinte valor de NUT: NUT = 1,342 A partir do valor encontrado de NUT, podemos determinar o coeficiente de troca global (U): 15

16 De onde obtém-se o seguinte valor de U, considerando a área de troca do tubo de cobre: U = 2,81 W/m².K 7. CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos, verificou-se que a troca térmica foi satisfatória dentro das limitações construtivas enfrentadas. Dentro das premissas básicas de projeto, acredita-se que escolha de um trocador do tipo serpentina para o processo em questão foi acertada, quando comparada às outras opções. Apesar de uma diferença de temperaturas relativamente satisfatória para as condições apresentadas, verifica-se que a troca térmica ainda sofria alta influência do comprimento do tubo. Por tanto, a forma construtiva permitia um melhor aproveitamento dos recursos disponíveis. Uma vez que o comprimento da serpentina fosse aumentado, seria possível um considerável melhor aproveitamento do processo de resfriamento. Na análise das duas situações propostas, verifica-se que quando comparada a eficiência de um trocador com baixa vazão de fluido frio e alta vazão de fluido quente frente ao mesmo trocador, porém com vazões menores do fluido quente e maiores do fluido frio, a eficiência do trocador aumentou de 0,66 para 0,69, o que condiz com a teoria aprendida. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOX, R.W. e MCDONALD, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro. HOLMAN, J. P., 1996, Experimental Methods for Engineers, McGraw-Hill, New York, 6th ed. INCROPERA, F. P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York: John Wiley & Sons. SCHNEIDER, P. S., 2007, Medição de Pressão. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. APÊNDICE: MATERIAIS UTILIZADOS: - Um tubo interno de Cobre com ½ [pol] de diâmetro, 2 mm de espessura e 3,30 metros de comprimento; - Um tubo externo de Latão com 1 [pol] de diâmetro, 2 mm de espessura e 3,30 metros de comprimento; - Duas conexões de ½ polegada com duas porcas para fixação; 16

17 Figura 7 Trocador de calor construído pelo grupo 17