balanço de energia no pasteurizador1

1. BALANÇO DE MASSA

Recepção 400000 ovos/dia

Jornada 16horas/dia

Peso ovo 55 gCapacidade 1375 Kg/hora

Descascador (10% ovo é casca)ms 1237.5mcasca 137.5

Separadormovo 618.75

mgema206.229

4

mclara412.520

6

Pasteurizador (10% de cada linha é embalada pasteurizada)movoF1 61.875 movosai 556.875

mgemaF120.6229

4mgemasai

185.6064

mclaraF141.2520

6 mclarasai371.268

6

ConcentradorUi Uf

Ovo 75% 52%Gema 51% 20%Clara 87% 67%

movoconc290.039

1 mágua266.835

9mgemacon

c113.683

9 mágua71.9224

9mclaracon

c146.257

3 mágua225.011

3

EvaporadorUi Uf

ovo 52% 6%gema 20% 4%clara 67% 8%

(50% é ovo inteiro, o restante é dividido entre gema-33,33% do ovo e clara- 66,66% do ovo)

movoF2148.105

1 mágua 141.934

mgemaF294.7366

2 mágua18.9473

2

mclaraF252.4618

6 mágua93.7954

5

Total que entra1375

Total que sai1375

1.1. FLUXOGRAMA DO BALANÇO DE MASSA:

2. DIMENSIONAMENTO DAS CÂMARAS FRIAS

A empresa irá dispor de duas câmaras frias, uma na recepção e outra

menor na expedição para o produto pasteurizado. Os dados e cálculos

referentes ao dimensionamento das câmaras frias são dado a seguir

Câmara grande

Dimensões internas:

Altura = 4 m

Largura = 12 m

Comprimento = 16,65 m

Totalizando um Volume interno de:

Vint=800m³

Dimensões externas:

Espessura do alumínio: 0.0008m

Condutividade térmica do alumínio: 180,3 kcal/h.m.º C

Espessura do poliuretano: 0.085m

Condutividade térmica do poliuretano: 0,2 kcal/h.m.º C

Altura = 4.1732 m

Largura = 12.1732 m

Comprimento = 16.8232m

Cálculo da carga térmica

1/U= (1/hext)+(1/hint)+ (Δx alum./ k alum ) + (Δx Pol/ k Pol)

T int 8ºC

T ext 32ºC

Hint 18 kcal/h.m.ºC

Hext 7 kcal/h.m.ºC

U=1.604051Kcal/(h.m.ºC)

Q=U.A.(T+ fc)*24 h

1)Parede, Teto e Pisoa)Parede L-OQ= 2200.1683Kcal/dia

b)Parede O-LQ= 2200.1683 Kcal/dia

c)Parede NQ=2927.9882 Kcal/dia

d)Parede SQ=2702.7584 Kcal/dia

e)TetoQ=9526.4159 Kcal/dia

f)Piso Tbu=28,12ºCQ=6609.3616 Kcal/dia

Cor da

superfície

Orientação

Leste Oeste

Nort

e Teto

Escura 5 5 3 11

Média 4 4 3 9

Clara 3 3 2 5

Câmara pequena

Dimensões internas:

2) Calor de infiltração

Q=43665.40396 Kcal/dia

3)Calor de iluminação

Q= 572.76 Kcal/dia

4)Pessoas

Q= 360 Kcal/dia

5)Empilhadeira

Q= 9484.95 Kcal/dia

6)Produto

Qresfr=804571.4286 Kcal/dia

Qresp=80457.14286 Kcal/dia

7) Embalagem

Q=80457.14286 Kcal/dia

8) Ventilação

Q=104573.5689 Kcal/dia

9)Segurança

Q=115030.9258 Kcal/dia

TOTAL1265340.184

Kcal/dia5314428.771J/h

Altura = 4 m

Largura = 3,125 m

Comprimento = 4 m

Totalizando um Volume interno de:

Vint=50m³

Dimensões externas:

Espessura do alumínio: 0.0008m

Condutividade térmica do alumínio: 180,3 kcal/h.m.º C

Espessura do poliuretano: 0.085m

Condutividade térmica do poliuretano: 0,2 kcal/h.m.º C

Altura = 4.1732 m

Largura = 3.2982m

Comprimento = 4.1732m

Cálculo da carga térmica

1/U= (1/hext)+(1/hint)+ (Δx alum./ k alum ) + (Δx Pol/ k Pol)

T int 4ºC

T ext 32ºC

Hint 18 kcal/h.m.ºC

Hext 7 kcal/h.m.ºC

U=1.604051Kcal/(h.m.ºC)

Q=U.A.(T+ fc)*24 h

1)Paredes, teto e piso

Cor da superfícieOrientação

Leste Oeste Norte Teto

Escura 5 5 3 11

Média 4 4 3 9

Clara 3 3 2 5

a)Parede L-O

Q=684.4252978 Kcal/diab)Parede O-L

Q=684.4252978 Kcal/diac)Parede N

Q=838.0652358 Kcal/diad)Parede S

Q=782.1942201 Kcal/diae)Teto

Q=728.5817687 Kcal/diaf)Piso Tbu=28,12

Q=532.5270382 Kcal/dia

2) Calor de infiltração

Q=13460.80792 Kcal/dia

3)Calor de iluminação

Q=35.83333333 Kcal/dia

4)PessoasQ= 210 Kcal/dia

5)EmpilhadeiraQ= 9484.95 Kcal/dia

6)ProdutoQresfr=

295665.664 Kcal/dia

Qresp=29566.5664 Kcal/dia

7) Embalagem

Q=29566.5664 Kcal/dia

8) Ventilação

Q=38224.06069 Kcal/dia

9)Segurança

Q=42046.46676 Kcal/dia

TOTAL462511.1344

Kcal/dia1942546.764J/h

3. BALANÇO DE ENERGIA NO PASTEURIZADOR

O balanço de energia será divido em três etapas:

Aquecimento da matéria prima

Tubo de retenção

Resfriamento da matéria prima

Para o cálculo do Balanço de Energia serão feitas as seguintes

considerações:

1) Perda de calor para a vizinhança desprezível;

2) Mudanças nas energias cinética e potencial desprezíveis;

3) Propriedades constantes;

4) Resistência térmica na parede do tubo e fatores de

deposição desprezíveis;

5) Condições de escoamento plenamente desenvolvidas na

água e na matéria prima (U independe de x).

3.1. AQUECIMENTO DA MATÉRIA PRIMA

3.1.1. OVO INTEGRAL

Do balanço de massa o fluxo de ovo integral que entra no pasteurizador

é de 618,75 kg/h (0,17 kg/s) e será representado por mo. O ovo integral entra

no pasteurizador a temperatura de 4°C e sai a 61°C, e essas temperaturas

serão representadas respectivamente por T f , e e T f , s. O fluido de aquecimento é

vapor d’água que entra em contracorrente no pasteurizador a temperatura de

120°C e sai a 100°C, e essas temperaturas serão representadas

respectivamente por T q ,e e T q , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm

e o diâmetro externo (De) será de 50 mm.

Esta etapa pode ser melhor visualizada na figura 1.

Figura 1. Diagrama de aquecimento do ovo integral no pasteurizador bitubular

concêntrico.

Análise: A taxa de transferência de calor requerida pode ser obtida em

um balanço de energia global no fluido quente:

Qq= ˙mvapCp , q(T q ,e−T q , s)

Onde C p ,q deve ser calculado a T m,q que é dada por

T m,q=(T q ,e+Tq , s)

2

T m,q = 110°C

Então, C p ,q é 2070,8 J/kgK .


um balanço de energia global no fluido frio:

Qf=moCp ,f (T f , s−T f , e)

Onde C p ,f deve ser calculado a T m, f que é dada por

T m, f=(T f ,e+T f ,s)

2

T m, f = 32,5°C

Então, C p ,f é 3238 J/kgK .

A partir desses dados obtém-se que Qf é 31376,22 W.

Fazendo um balanço de energia global no sistema têm-se que:

Qf=Qq

Logo, mvap = 0,76 kg/s.

O comprimento total do trocador de calor pode ser calculado pela

seguinte equação:

Q=UA ∆Tml

onde, ∆T ml é calculada com a equação abaixo:

∆T ml=(T q ,e−T f ,s )−(T q , s−T f , e)

ln(Tq ,e−T f , s)(Tq ,s−T f ,e )

∆T ml = 76°C

e a área de troca térmica é dada por:

A=π Di L

O coeficiente de transferência Global U é dado por:

U= 11hi

+1he

e hi e he são os coeficientes de troca de calor interno e externo,

respectivamente.

Cálculo do hi:

ReD=4 mo

π Di μ , onde μ é calculado a T m, f.

μ = 0,009 Pa.s

Logo,

ReD= 801,7

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento do ovo

integral é laminar. E através dessa análise utiliza-se a seguinte correlação para

o cálculo de hi.

NuD=h iDi

k=4,36 , onde NuD é o valor de Nusselt e k é a condutividade

térmica.

k deve ser calculado a T m, f.

k = 486 W/mK

logo,

hi = 70652 W/m²K

Cálculo do he:

ReD=4 m vap

π (De−Di)μ , onde μ é calculado a T m,q.

μ = 12,41x10-6

Logo,

ReD = 3898719

Como o valor de Reynolds é maior que 2300 o escoamento do vapor

d’água é turbulento. E através dessa análise utiliza-se a seguinte correlação de

Dittus-Boelter para o cálculo de he:

NuD=0,023R eD

45 Pr

n

onde n = 0,4 se aquecimento e n = 0,3 se resfriamento, como o vapor d’água

resfria, utiliza-se n = 0,3.

Pr deve ser calculado a T m,q;

Pr = 1,002

Logo,

NuD = 5085,6 e NuD=he(D e−D i)

k, onde k deve ser calculado a T m,q;

k = 25,6x10-3 W/mK

Então,

he = 6509,6 W/m²K

Portanto U = 5960,3 W/m²K e L = 0,74 m.

3.1.2. GEMA

Do balanço de massa o fluxo de gema que entra no pasteurizador é de

206,23 kg/h (0,057 kg/s) e será representado por mg. A gema entra no

pasteurizador a temperatura de 4°C e sai a 61°C, e essas temperaturas serão

representadas respectivamente por T f , e e T f , s. O fluido de aquecimento é vapor

d’água que entra em contracorrente no pasteurizador a temperatura de 120°C e

sai a 100°C, e essas temperaturas serão representadas respectivamente por

T q ,e e T q , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo

(De) será de 50 mm.


um balanço de energia global no fluido quente:




2

T m,q = 110°C


Análise: A taxa de transferência de calor requerida pode ser obtida em um

balanço de energia global no fluido frio:

Qf=mgC p ,f (T f , s−T f ,e)



2

T m, f = 32,5°C

Então, C p ,f é 2733,8 J/kgK .


Fazendo um balanço de energia global no sistema tem-se que:

Qf=Qq



seguinte equação:

Q=UA ∆Tml




∆T ml = 76°C


A=π Di L


U= 11hi

+1he


respectivamente.

Cálculo do hi:

ReD=4 mg


μ = 0,2 Pa.s

Logo,

ReD= 12,09

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento da ge,a é

laminar. E através dessa análise utiliza-se a seguinte correlação para o cálculo

de hi.

NuD=h iDi

k=4,36 , onde NuD é o valor de Nusselt e k é a condutividade térmica.


k = 390,8 W/mK

logo,

hi = 56796,3 W/m²K

Cálculo do he:

ReD=4 m vap


μ = 12,41x10-6

Logo,

ReD = 10772776,6

Como o valor de Reynolds é maior que 2300 o escoamento do vapor d’água é

turbulento. E através dessa análise utiliza-se a seguinte correlação de Dittus-

Boelter para o cálculo de he:

NuD=0,023ReD

45 Pr

n




Pr = 1,002

Logo,



k = 25,6x10-3 W/mK

Então,

he = 1972,7 W/m²K


3.1.3. CLARA

Do balanço de massa o fluxo de clara que entra no pasteurizador é de

412,46 kg/h (0,12 kg/s) e será representado por mc. A clara entra no

pasteurizador a temperatura de 4°C e sai a 58°C, e essas temperaturas serão

representadas respectivamente por T f , e e T f , s. O fluido de aquecimento é vapor

d’água que entra em contracorrente no pasteurizador a temperatura de 120°C e

sai a 100°C, e essas temperaturas serão representadas respectivamente por

T q ,e e T q , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo

(De) será de 50 mm.


balanço de energia global no fluido quente:




2

T m,q = 110°C




Qf=mcC p , f (T f ,s−T f ,e )



2

T m, f = 31°C




Qf=Qq



seguinte equação:

Q=UA ∆Tml




∆T ml = 77,8°C


A=π Di L


U= 11hi

+1he


respectivamente.

Cálculo do hi:

ReD=4 mc


μ = 0,006 Pa.s

Logo,

ReD= 848,8

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento da clara é


de hi.

NuD=h iDi



k = 551 W/mK

logo,

hi = 80078,7 W/m²K

Cálculo do he:

ReD=4 m vap


μ = 12,41x10-6

Logo,

ReD = 3077936

Como o valor de Reynolds é maior que 2300 o escoamento do vapor d’água é



NuD=0,023R eD

45 Pr

n




Pr = 1,002

Logo,



k = 25,6x10-3 W/mK

Então,

he = 4568,8 W/m²K


3.2. TUBO DE RETENÇÃO

3.2.1. OVO INTEGRAL

Do balanço de massa o fluxo de ovo integral que entra no tubo de

retenção é de 618,75 kg/h (0,17 kg/s) e será representado por mo. O ovo

integral entra no tubo a uma temperatura de 61°C permanecendo nessa

temperatura por 3,5 minutos até sair, pois se trata de um tubo isotérmico,

revestido com material isotérmico que garante a não troca de temperatura com

o ambiente. As temperaturas de entrada e saída serão representadas por T q ,e e

T q , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo (De)

será de 50 mm.


Figura 1. Diagrama do ovo integral no tubo de retenção.

Análise: Para cálculo da velocidade média utilizamos a equação abaixo:

ṁ=ρV méd A t

Onde a área transversal é calculada por At=πr ².

Então, At=0,00071m ²

Sabe-se que a massa específica do ovo integral a esta temperatura de 61°C é

ρ=1067,7 Kg /m ³,

Logo, V méd=0,228m /s.

O número de Reynolds é calculado por Re=ρV méd

μDi

Onde a viscosidade é dada a temperatura de 61°C,µ=0,006 Pa . s

Logo, Re=1215,77

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento do ovo integral é

laminar.

Sabe-se que para fluido newtoniano e escoamento laminar existe a relação

entre velocidade média e máxima

V méd

V máx

=0,5

Logo, V máx=0,455m /s

Para calcularmos o comprimento do tubo de retenção utilizamos a fórmula

V máx=Lt

Onde té o tempo de residência no tubo, dado por 3,5 minutos (210 segundos).

Com isso temos L=96m.

3.2.2. GEMA

Do balanço de massa o fluxo de gema que entra no pasteurizador é de

206,23 kg/h (0,057 kg/s) e será representado por mg. A gema entra no tubo de

retenção a uma temperatura de 61°C permanecendo nessa temperatura por

3,5 minutos até sair, pois se trata de um tubo isotérmico, revestido com

material isotérmico que garante a não troca de temperatura com o ambiente.

As temperaturas de entrada e saída serão representadas por T q ,e e T q , s. O

diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo (De) será de

50 mm.

Para cálculo da velocidade media utilizamos a equação abaixo:

ṁ=ρV méd A t

Onde a área transversal é calculada por At=πr ²

Então At=0,00071m ².

Sabe-se que a massa específica da gema a 61°C é ρ=1129,7Kg /m ³


O número de Reynolds para fluido pseudoplástico é calculado por

ReD=Di

nV med2−nρ

8n−1μX

4n3n+1

Onde a viscosidade aparente na gema é dada por µ e tem um valor de

0,141 Pa.sn, e n =0,903

Logo, ℜ=22,44

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento da gema é

laminar.

Sabe-se que para fluido pseudoplástico e escoamento laminar existe a

relação entre velocidade média e máxima V méd

V máx

= n+13 (n+1 )

Logo, V máx=0,216m / s

Para calcularmos o comprimento do tubo de retenção utilizamos a

fórmula

V máx=Lt

Onde t=3,5min¿210 s

Temos que L=45,36m.

3.2.3. CLARA

Do balanço de massa o fluxo de clara que entra no tubo de retenção é

de 412,46 kg/h (0,12 kg/s) e será representado por mc. A clara entra no tubo a

uma temperatura de 58°C permanecendo nessa temperatura por 3,5 minutos

até sair, pois se trata de um tubo isotérmico, revestido com material isotérmico

que garante que não ocorra troca de temperatura com o ambiente. As

temperaturas de entrada e saída serão representadas por T q ,e e T q , s. O

diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo (De) será de

50 mm.

Análise: Para cálculo da velocidade media utilizamos a equação abaixo:

ṁ=ρV méd A t

Onde a área transversal é calculada por At=πr ²

Então, At=0,00071m ².

Sabe-se que a massa específica da clara a 58°C é ρ=1026,3Kg /m ³


O número de Reynolds é calculado por Re=ρV méd

μDi

Onde a viscosidade é dada a temperatura de 58°C, µ = 0,004 Pa.s

Logo, ℜ=1217,24

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento da clara é laminar.

Sabe-se que para fluido newtoniano e escoamento laminar existe a relação

entre velocidade média e máxima

V méd

V máx

=0,5

Logo, V máx=0,3163m /s

Para calcularmos o comprimento do tubo de retenção utilizamos a fórmula

V máx=Lt

Onde, t=3,5min¿210 s

Temos que L=66 m.

3.3. RESFRIAMENTO DA MATÉRIA PRIMA

3.3.1. OVO INTEGRAL

Do balanço de massa o fluxo de ovo integral que entra no pasteurizador é de

618,75 kg/h (0,17 kg/s) e será representado por mo. O ovo integral entra no

resfriamento a temperatura de 61°C e sai a 14°C, e essas temperaturas serão

representadas respectivamente por T q ,e e T q , s. O fluido de resfriamento é água

que entra em contracorrente a mágua = 0,76 kg/s no pasteurizador a temperatura

de 5°C e sai a x°C, e essas temperaturas serão representadas

respectivamente por T f , e e T f , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm

e o diâmetro externo (De) será de 50 mm.


Figura 1. Diagrama de resfriamento do ovo integral no pasteurizador bitubular concêntrico.


um balanço de energia global no fluido frio:

Qf=máguaC p ,f (T f , s−T f ,e)



2

Observação: este é um processo iterativo, pois não se sabe a temperatura de

saída da água, logo o primeiro chute é de 14°C.

T m, f = 9,5°C




Qq=moC p , q(T q ,e−T q , s)



2

T m, f = 37,5°C


A partir desses dados obtém-se que Qq é 26050,4 W.


Qf=Qq

Logo, T f , s=Q f

máguaC p ,f

+T f , e

T f , s = 13,2°C o que mostra que o chute da temperatura de saída da água para

o cálculo das propriedades foi bom.


seguinte equação:

Q=UA ∆Tml




∆T ml = 23,2°C


A=π Di L


U= 11hi

+1he


respectivamente.

Cálculo do hi:

ReD=4 mo

π Di μ , onde μ é calculado a T m,q.

μ = 0,009 Pa.s

Logo,

ReD= 801,7

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento do ovo

integral é laminar. E através dessa análise utiliza-se a seguinte correlação para

o cálculo de hi.

NuD=h iDi


k deve ser calculado a T m,q.

k = 486 W/mK

logo,

hi = 70632 W/m²K

Cálculo do he:

ReD=4 mágua

π (De−Di)μ , onde μ é calculado a T m, f.

μ = 1323,5x10-6

Logo,

ReD = 36556,9

Como o valor de Reynolds é maior que 2300 o escoamento da água é



NuD=0,023ReD

45 Pr

n

onde n = 0,4 se aquecimento e n = 0,3 se resfriamento, como a água aquece,

utiliza-se n = 0,4.

Pr deve ser calculado a T m, f;

Pr = 9,54

Logo,


k, onde k deve ser calculado a T m, f;

k = 586x10-3 W/mK

Então,

he = 7424,6 W/m²K


3.3.2. GEMA

Do balanço de massa o fluxo de clara que entra no pasteurizador é de 206,23

kg/h (0,057 kg/s) e será representado por mg. A gema entra no resfriamento a

temperatura de 61°C e sai a 14°C, e essas temperaturas serão representadas

respectivamente por T q ,e e T q , s. O fluido de resfriamento é água que entra em

contracorrente a mágua = 0,76 kg/s no pasteurizador a temperatura de 5°C e sai

a x°C, e essas temperaturas serão representadas respectivamente por T f , e e

T f , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo (De)

será de 50 mm.






2



T m, f = 6,5°C




Qq=mgCp , q(T q , e−T q , s)



2

T m, f = 37,5°C

Então, C p ,q é 3571 J/kgK .



Qf=Qq

Logo, T f , s=Q f

máguaC p ,f

+T f , e

T f , s = 8°C o que mostra que o chute da temperatura de saída da água para o

cálculo das propriedades foi bom.


seguinte equação:

Q=UA ∆Tml




∆T ml = 24,8°C


A=π Di L


U= 11hi

+1he


respectivamente.

Cálculo do hi:

Como a gema é um fluido pseudoplástico o Reynolds é dado pela seguinte

fórmula:

ReD=Di

nV med2−nρ

8n−1μX

4n3n+1

, onde μ e ρ são calculados a T m,q.

μ = 70,37 Pa.s0,354 e ρ = 1126,74 kg/m³

Sabe-se que mg=ρV med At, onde At é a área transversal do tubo. Então V med é

0,072 m/s

Logo,

ReD= 0,16

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento da gema é


de hi.

NuD=h iDi



k = 389,125 W/mK

logo,

hi = 56116,8 W/m²K

Cálculo do he:

ReD=4 mágua


μ = 1445x10-6

Logo,

ReD = 33483,1




NuD=0,023R eD

45 Pr

n


utiliza-se n = 0,4.


Pr = 10,5

Logo,



k = 581,2x10-3 W/mK

Então,

he = 7134,23 W/m²K


3.3.3. CLARA

Do balanço de massa o fluxo de clara que entra no pasteurizador é de 412,46

kg/h (0,12 kg/s) e será representado por mc. A clara entra no resfriamento a

temperatura de 58°C e sai a 14°C, e essas temperaturas serão representadas

respectivamente por T q ,e e T q , s. O fluido de resfriamento é água que entra em

contracorrente a mágua = 0,76 kg/s no pasteurizador a temperatura de 5°C e sai

a x°C, e essas temperaturas serão representadas respectivamente por T f , e e

T f , s. O diâmetro interno do tubo (Di) será de 30 mm e o diâmetro externo (De)

será de 50 mm.






2



T m, f = 8°C




Qq=mcC p ,q(T q , e−T q ,s)



2

T m, f = 36°C

Então, C p ,q é 3571 J/kgK .



Qf=Qq

Logo, T f , s=Q f

máguaC p ,f

+T f , e

T f , s = 10,9°C o que mostra que o chute da temperatura de saída da água para

o cálculo das propriedades foi bom.


seguinte equação:

Q=UA ∆Tml




∆T ml = 23°C


A=π Di L


U= 11hi

+1he


respectivamente.

Cálculo do hi:

ReD=4 mc

π Di μ , onde μ é calculado a T m,q.

μ = 0,006 Pa.s

Logo,

ReD= 848,8

Como o valor de Reynolds é menor que 2300 o escoamento da clara é


de hi.

NuD=h iDi



k = 548,5 W/mK

logo,

hi = 79715,3 W/m²K

Cálculo do he:

ReD=4 mágua


μ = 1382,6x10-6

Logo,

ReD = 34994,3




NuD=0,023ReD

45 Pr

n


utiliza-se n = 0,4.


Pr = 10,24

Logo,



k = 583,6x10-3 W/mK

Então,

he = 7347,35 W/m²K


3.4. DIMENSIONAMENTO DO PASTEURIZADOR

A indústria utilizará 3 pasteurizadores, um para cada tipo de produto,

sendo um para ovo integral, outro para clara e outro para a gema. Como a

demanda da empresa é maior em relação ao ovo integral necessita-se de um

pasteurizador com maior capacidade.

3.4.1. OVO INTEGRAL

O comprimento total de tubulação necessária para pasteurizar este

produto, é a soma dos comprimentos das etapas de aquecimento, retenção e

resfriamento. Isso totaliza um comprimento de 98,51m. Como o comprimento

máximo dado ao pasteurizador é de 6m, a quantidade de tubos necessária é de

17 tubos.

Como o fluxo de ovo integral é de 618,75 kg/h optou-se por um

pasteurizador com capacidade de 1000 kg/h, caso a empresa opte por

aumentar sua produção.

3.4.2. GEMA





8 tubos.

Como o fluxo de gema é de 206,23 kg/h optou-se por um pasteurizador

com capacidade de 500 kg/h, caso a empresa opte por aumentar sua

produção.

3.4.3. CLARA





12 tubos.

Como o fluxo de clara é de 412,46 kg/h optou-se por um pasteurizador

com capacidade de 500 kg/h, caso a empresa opte por aumentar sua

produção.

4. CALDEIRA

O calor necessário para o aquecimento da matéria prima mais os ciclos

de CIP somam 197m³ de vapor diários. Considerando a caldeira operando a 2

bar, tem-se que a massa específica de vapor a essa pressão é de 1,1 kg/m³.

Isso mostra que a indústria necessitará de 2167 kg/dia de vapor. Através da

tabela de vapor saturado d’água tem-se que para a pressão absoluta de 2 bar o

calor total gerado para quilograma de vapor é de 645,8 Kcal. Será utilizado

bagaço de cana de açúcar como combustível da caldeira que apresenta a

capacidade calorífica de 2000 kcal/kg a 20% de umidade. Logo serão utilizados

0,7 ton/dia de bagaço de cana para gerar o calor necessário.

Visando a economia de água e energia, a água condensada após a

troca de calor vai retornar para a caldeira. Após a troca de calor a água

condensada é dirigida a um reservatório e, por bombeamento, retorna para a

caldeira, porém ainda é necessária uma reposição de água para recompensar

as perdas e vazamentos inerentes ao sistema.

A pressão de saída da caldeira será de 2 bar, consequentemente, a

temperatura de 120°C será ramificada em duas tubulações: uma para

abastecer o pasteurizador (120°C) e outra que irá receber uma válvula de

aumento de pressão, que aumentara a pressão a xx, que acarretara em um

aumento de temperatura e passará para yy°C, que será destinado para o spray

dryer.

Então, será utilizada a caldeira VMICR da empresa Steammaster® para

geração de vapor desenvolvida para queima de biomassa com a melhor

tecnologia disponível. Queima combustíveis de alta umidade sem a

necessidade de qualquer refratário na fornalha. Além disso, é muito versátil, já

que permite diversos arranjos de grelhas, pré-aquecedor de ar, economizador e

super aquecedor. Tem como características as pressões de operação até 32

Bar e temperatura de 350ºC, com produção de vapor entre 4 a 40 ton de

vapor/hora. Conforme a figura 4.

Figura 4. Caleira de geração de vapor

VIABILIDADE ECONÔMICA DO PROJETO

CUSTOS FIXOS E VARIÁVEIS

CUSTO VARIÁVEL

Quantidade/dia Custo unidade Custo diário Custo mensal

Matéria Prima

Ovo 400000 R$ 0,18 R$ 73.320,00 R$ 1.466.400,00

Embalagem

Tetra pak 4640 R$ 0,20 R$ 928,00 R$ 18.560,00

Plástico 240 R$ 0,10 R$ 24,00 R$ 480,00

Papelão 48,8 R$ 0,20 R$ 9,76 R$ 195,20

Consumo de água (m³) R$ 2,73 Mês Custo mensalVapor (m³) 69,856 1397,12 R$ 3.814,14

Água de limpeza (m³) 57,64 1152,8 R$ 3.147,14

Custo energético/ton R$ 150,00 Custo mensalBagaço de cana (ton) 14 R$ 2.100,00

CUSTO FIXO

Funcionários Custo mensal

500 R$ 678,00 R$ 339.000,00

Promoções e 13º R$ 33.900,00

INVESTIMENTO INICIAL

Equipamentos Quantidade Custo final

Câmara fria pequena 1 R$ 23.650,00

Câmara fria grande 1 R$ 60.000,00

Ultafiltrador 2L/min 1 R$ 20.000,00Envasadora tetra pak TBA8 6000L/h 1 R$ 250.000,00

Empacotadora automática INDUMAX 20pcts/min MF 15000 1 R$ 45.000,00Spray Drying Meckey gpl200 3 R$ 379.680,00

Esteira 1 R$ 62.500,00Quebradora e Separadora Silplex 5S100 1 R$ 15.000,00

Caldeira a vapor Hbremer 1 R$ 250.000,00Pasteurizador ovo integral 1 R$ 75.000,00Pasteurizador gema, clara 2 R$ 75.000,00

Bombas e acessórios - R$ 753.498,00Estrutura Física - R$ 4.018.656,00

TOTAL R$ 6.027.984,00

FLUXO DE CAIXA

CUSTO VARIÁVEL

Entrada Preçokg/

mês TotalVenda ovo em pó R$ 17,80 47393 R$ 843.595,40

Venda gema em pó R$ 16,80 30315 R$ 509.292,00Venda clara em pó R$ 33,70 16787 R$ 565.721,90Venda ovo líquido R$ 8,00 19800 R$ 158.400,00

Venda gema líquida R$ 8,00 6600 R$ 52.800,00Venda clara líquida R$ 10,00 13200 R$ 132.000,00

Entrada Mensal R$ 2.261.809,30Saída Mensal R$ 2.139.013,60Lucro mensal R$ 122.795,70

Investimento/Lucro 49,09

Ano 1

saldo inicial -R$ 6.027.984,00Receita R$ 27.141.711,60Saída -R$ 25.668.163,17Fluxo total -R$ 4.554.435,57

Ano 2saldo inicial -R$ 4.554.435,57Receita R$ 27.141.711,60Saída -R$ 25.668.163,17Fluxo total -R$ 3.080.887,14

Ano 3saldo inicial -R$ 3.080.887,14Receita R$ 27.141.711,60Saída -R$ 25.668.163,17Fluxo total -R$ 1.607.338,71

Ano 4saldo inicial -R$ 1.607.338,71Receita R$ 27.141.711,60Saída -R$ 25.668.163,17Fluxo total -R$ 133.790,28

Ano 5saldo inicial -R$ 133.790,28Receita R$ 27.141.711,60Saída -R$ 25.668.163,17Fluxo total R$ 1.339.758,14

ANO 1 ANO 2 ANO 3 ANO 4 ANO 5

-R$ 70,000,000.00

-R$ 60,000,000.00

-R$ 50,000,000.00

-R$ 40,000,000.00

-R$ 30,000,000.00

-R$ 20,000,000.00

-R$ 10,000,000.00

R$ 0.00

R$ 10,000,000.00

R$ 20,000,000.00

f(x) = 17682581.1456 x − 80440324.3584R² = 1

TRC

Pelo gráfico de TRC e pelas tabelas observa-se que o primeiro saldo

positivo da empresa se dá entre os anos 4 e 5.

VPL (Valor Presente Líquido)

Este indicador de viabilidade calcula o valor líquido presente ao final da

vida útil do produto. Para este cálculo é necessário sabermos o valor do

investimento e o fluxo de caixa até o ano 10.

Conforme a equação do VPL :

Ano VPL (R$)1 -54545454,552 -33057851,243 -15026296,024 05 12418426,466 22578957,27 30789487,098 37320590,429 42409761,84

10 46265194,73VPL total (R$) 89152815,94

Considerando o custo de capital de 10% ao ano (i);

Esse valor de VPL foi obtido considerando até o ano 10;

Sendo VPL>0 , o projeto é considerado viável.

TIR (Taxa Interna de Retorno)

A TIR é um indicador que permite analisarmos o retorno do projeto em

função do custo do capital. Para o cálculo da VPL utilizamos um custo do

capital de 10%, entretanto para que o projeto seja viável, a TIR deve ser maior

que esta taxa do custo do capital, pois somente é obtida quando o seu valor

anula a VPL. Conforme a equação a baixo, igualando VPL a zero, obtemos

que:

Investimento Inicial -R$ 6.027.984,00 TIR

Receita Líquida

R$ 1.473.548,43 -76%R$ 1.473.548,43 -37%R$ 1.473.548,43 -14%R$ 1.473.548,43 -1%R$ 1.473.548,43 7%R$ 1.473.548,43 12%R$ 1.473.548,43 16%R$ 1.473.548,43 18%R$ 1.473.548,43 20%R$ 1.473.548,43 21%

A TIR é igual a 21%. Sendo superior o custo do capital do VPL.

Negócio é lucrativo, pois a riqueza gerada pelo investimento cobre o custo

do capital de 0,10.

TIR > 10%

IL (Indice de Lucratividade)

É também conhecido como a relação custo-benefício, quando seu valor

é maior que 1 o IL indica o retorno para cada unidade monetária investida, em

valor presente, em toda a vida útil do projeto.

IL= R$ 15,79

0

Isto indica que para cada R$ 1,00 investido, há um retorno de 14,79

reais.

Conclusão IL: Como o resultado dos indicadores VPL e TIR terem dado

Positivo, o projeto é viável, a IL, confirma estes resultados.

O projeto pode ser aceito.

SPRAY DRYER

OVO INTEIRO

Dados iniciais

Produto: Ovo desidratado

Aspersão: atomizador rotatório

Umidade inicial: 52 % em massa

Umidade final: 6 % em massa

Vazão de produto: 556,875 kg/h

Temperatura de entrada do ar: 160 ºC

Temperatura da alimentação: 61 ºC

Temperatura do ar ambiente: 24 ºC

Dados da literatura

Calor específico da água: 4,19 kJ/kg.K

Calor específico do vapor de água: 1,886 kJ/kg.K

Calor latente de vaporização da água à 0 ºC: 2504 kJ/kg.K

Relação para a massa específica do vapor à 105

Pa: 220/(T + 273) kg/m3

Calor específico do ar: 1,05 kJ/kg.K

Calor específico do composto orgânico: 3,23 kJ/kg.K

O calor de cristalização é desprezível.

Solução

Balanço de massa (kg/h)

Tar,s = 88,39×log10 Tar,e −112,35

Tar,s = 88,39×log10 61 −112,35

Tar,s = 82,5°C

556,875 * 0,52 = 289,57 kg/h de água

556,875 – 289,57 = 267,305 kg/h de sólido

MP: MASSA DO PRODUTO SECO

WP1: UMIDADE DE ENTRADA DO PRODUTO

WP2: UMIDADE DE SAÍDA DO PRODUTO

GA: FLUXO DE AR QUENTE

HA1: UMIDADE DE ENTRADA DO AR

HA2: UMIDADE DE SAÍDA DO AR

MP * (WP1 – WP2) = GA * (HA2 - HA1)

267,305 * (0,52 – 0,06) = GA * (0,7 - 0,01)

GA = 178, 203 kg/h fluxo de ar

ENTRADA SAIDAÁGUA 289,57 17,06SÓLIDOS 267,305 267,305TOTAL 556,875 284,365

mevap= 272,51 kg/h

Q1 = 272,51 * (2504 + 1,886 * 82,5 – 4,19 * 61) = 655 099,98 kJ/h

Q2 = 267,305 * 3,23 * (82,47 – 61) 18 537,09 kJ/h

Q3 = 17,06 * 4,19 * ( 82,47 – 61) = 1 534,70 kJ/h

QT1 = 675 171,77 kJ/h

QT2 = 3,23 * ((160 – 24)/(160 – 82,47)) * 675 171,77 = 3 825 479,88 kJ/h

Consumo de energia: 3 825 479,88/272,51 = 14 037,94 kJ/kgH2O

Utilizando velocidade do ar igual 0,15m/s

¨mar: 3 825 479,88 / 3,23 * (160-24) = 8708,52 kg/h

Vazão em volume a 82,5°

¨var: ¨mar/ ƿagua = 272,51/0,603 = 451,92 m³/h

Vtotal= 9402,10 m³/h = Vs * Ac

1h/3600s * 9402,10 m³/h = 0,15 m/s * (π * D² / 4)

D = 2,08m

Xi = umidade inicial do produto

Xf = umidade final do produto

R = Raio da partícula = 150μm

λv = calor latente de vaporização na T de bulbo umido (Tbu) 41° = 2406,73

kf = coeficiente = 0,0273

ƿl = densidade liquida

ΔTml = ((Talimentação – Tbu) – ((Tar,s – Tprod,s) / (ln((Taliment. – Tbu) / (Tar,s – Tprod,s)))

t = (Xi-Xf) * r² * λv * ƿl / 3 * kf * (1+Xi) * ΔTml

t = (1,08 – 0,06) * (150*10⁻⁶)² * 2406,73*10³*1065,9 /

3 * 0,0273 * (1+1,08) * ((160-41) – (82,5–41)/ ln (160-41)/ (80-41))

t= 4,97 ~ 5 segundos

Assim, os atomizadores terão o mesmo tamanho (diâmetro = 2m e altura=4m), sendo o

tempo recalculado para cada produto.

Produto: Clara de ovo desidratado








Dados da literatura

Calor específico da água: (Cpw) 4,19 kJ/kg.K

Calor específico do vapor de água: (Ce) 1,886 kJ/kg.K

Calor latente de vaporização da água à 0 ºC: (Cl) 2504 kJ/kg.K

Calor específico do ar: 1,05 kJ/kg.K

Calor específico da clara: (cp prod) 3,59 kJ/kg.K


Solução


Tar,s = 88,39×log10 Tar,e −112,35

Tar,s = 88,39×log10 61 −112,35

Tar,s = 82,5°C

177,5 kg/h de água

146,26 kg/h de sólido

MP: MASSA DO PRODUTO SECO

WP1: UMIDADE DE ENTRADA DO PRODUTO

WP2: UMIDADE DE SAÍDA DO PRODUTO

GA: FLUXO DE AR QUENTE

HA1: UMIDADE DE ENTRADA DO AR

HA2: UMIDADE DE SAÍDA DO AR

MP * (WP1 – WP2) = GA * (HA2 - HA1)

146,26 * (0,67 – 0,08) = GA * (0,7 - 0,01)

GA = 125,06 kg/h fluxo de ar

ENTRADA SAIDAÁGUA 177,5 11,77SÓLIDOS (mss) 146,26 146,26TOTAL 323,76 158,04

mevap= 165,73 kg/h

Q1 = mevap * (Cl + Ce * Tar,e – Cpw * Tprod,e)

Q1 = 165,73 * (2504 + 1,886 * 82,5 – 4,19 * 61) = 398415,75 kJ/h

Q2 = mss * cp prod * (Tar,e – Tprod,e)

Q2 = 146,26 * 3,59 * (82,47 – 61)= 8553,28 kJ/h

Q3 = 11,77 * 4,19 * ( 82,47 – 61) = 1060,3 kJ/h

QT1 = Q1+Q2+Q3 = 408 029,33 kJ/h

QT2 = Cp prod * ((Tar,e –Tar,amb)/(Tar,e – Tar,s)) * QT1

QT2 = 3,59 * ((160 – 24)/(160 – 82,47)) * 408 029,33 = 256537,47 kJ/h

Consumo de energia: 256537,47 / 165,73 = 1547,92 kJ/kgH2O


¨mar = QT2/( Cp gema * ( Tar, e – Tamb)

¨mar = 256537,47 / 3,59 * (160-24) = 525,43 kg/h


¨var = ¨mar/ ƿagua = 525,43/0,603 = 8340,21 m³/h

Vtotal=¨var + ¨mar = 8865,64 m³/h









(2,03 – 0,06) * (150*10⁻⁶)² * 2406,73*10³*1065,9 /

3 * 0,0273 * (1+2,03) * ((160-41) – (82,5–41)/ ln (160-41)/ (80-41))

t= 113,71/17,33

t = 6,56 ~ 7 segundos

Produto: Gema de ovo desidratado








Dados da literatura

Calor específico da água: 4,19 kJ/kg.K

Calor específico do vapor de água: 1,886 kJ/kg.K

Calor latente de vaporização da água à 0 ºC: 2504 kJ/kg.K

Relação para a massa específica do vapor à 105

Calor específico da gema: 2,72 kJ/kg.K


Solução


Tar,s = 88,39×log10 Tar,e −112,35

Tar,s = 88,39×log10 61 −112,35

Tar,s = 82,5°C

23,68 kg/h de água

113,68 kg/h de sólido

MP * (WP1 – WP2) = GA * (HA2 - HA1)

113,68 * (0,20 – 0,04) = GA * (0,7 - 0,01)

GA = 26,36 kg/h fluxo de ar

ENTRADA SAIDAÁGUA 23,68 4,84SÓLIDOS 113,68 113,68TOTAL 137,36 118,52

mevap= 18,84 kg/h

Q1 = 18,84 * (2504 + 1,886 * 82,5 – 4,19 * 61) = 45 291,45 kJ/h

Q2 = 113,68 * 2,72 * (82,47 – 61)= 172,08 kJ/h

Q3 = 4,84 * 4,19 * ( 82,47 – 61) = 435,4 kJ/h

QT1 = 45898,93 kJ/h

QT2 = 2,27 * ((160 – 24)/(160 – 82,47)) * 45898,93 = 218998,22 kJ/h

Consumo de energia: 218998,22 /18,84 = 11624,11 kJ/kgH2O


¨mar: 218998,22 / 2,72 * (160-24) = 595,01 kg/h


¨var: ¨mar/ ƿagua = 18,84/0,603 = 31,24 m³/h

Vtotal= 626,25 m³/h









t = (0,25 – 0,06) * (150*10⁻⁶)² * 2406,73*10³*1065,9 /

3 * 0,0273 * (1+0,25) * ((160-41) – (82,5–41)/ ln (160-41)/ (80-41))

t= 10,96/7,15

t = 1,53 ~ 2 segundo

balanço de energia no pasteurizador1

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