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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 [email protected] Porto Alegre, Dezembro 2011

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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

[email protected]

Porto Alegre, Dezembro 2011

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FÃO, J. P., NUNES, F. Trocador de Calor para Pasteurizador, 2011. Trabalho de con-

clusão 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 se-

rá utilizado para o processo de pasteurização de cerveja, que consiste no resfriamento do mos-

to 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 uti-

lizado 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 lí-

quido 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 fo-

ram artesanais.

PALAVRAS-CHAVE: Pasteurizador, trocador de calor, cerveja.

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FÃO, J. P., NUNES, F. Trocador de Calor para Pasteurização, 2011. Trabalho de con-

clusão 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 flu-

id. 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 pas-

sage of cold fluid inside of cooper pipe and passage of heat fluid inside of brass pipe in coun-

tercurrent. 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 satis-

factory because the manufacturing conditions of these devices were handmade.

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SUMÁRIO

Pág

1. INTRODUÇÃO 6

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 8

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 11

5. VALIDAÇÃO 12

6. RESULTADOS 13

7. CONCLUSÕES 16

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 16

9. APÊNDICE 16

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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

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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 Medi-

ções 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 significati-

vamente 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 finan-

ceiro 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 varia-

ção 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 coe-

ficiente 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 basica-

mente na mistura do malte triturado com água, a uma temperatura específica. Logo após a ob-

tenção do mosto, inicia-se o processo de pasteurização. Entende-se por pasteurização um pro-

cesso genérico o qual visa tratar termicamente o alimento no intuito de eliminar os microor-

ganismos ali existentes, inclusive os patogênicos. No caso da cerveja é usual a elevação da

temperatura do mosto à 76ºC.

2.2 TROCADORES DE CALOR

2.2.1 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, usual-

mente 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

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tubo...

2.2.2 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.

2.2.3 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 transfe-

rir durante o percurso é maior. Abaixo (Fig. 2) pode ser visualizado o gráfico com as varia-

ções de temperatura. De acordo com esse gráfico, a variação de temperatura é constante ao

longo do trocador.

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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 possí-

vel, conforme segue:

(

) (1)

Onde é a taxa de calor real em (W) e é a máxima taxa de calor possível no troca-

dor em (W). É evidente que a efetividade será um valor entre 0 e 1. Da definição de efetivida-

de, 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-

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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 calo-

rífica 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 quan-

do comparado ao método da Diferença Média Logarítmica de Temperatura (DMLT), na me-

dida 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 gráfi-

cos, conforme o modelo do trocador de calor. A figura 5 mostra uma tabela dessas:

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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 ca-

lor 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:

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= 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 transver-

sais nas extremidades do tubo externo. Próximo a esses furos, o tubo sofreu uma pequena do-

bra, 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 tu-

bo 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 manguei-

ras que foram consecutivamente conectadas nos tubos de saída.

Para a medição de vazão, foi usado um balde comum, que através de calibração, teve cola-

do 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 du-

rante 60 segundos, para obter-se o valor de vazão em l/min.

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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 tem-

peratura 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 valo-

res 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 = 0,252 + 0,2 = 0,5 [l/min]

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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 quen-

te, 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 55,5 26 41,87 34,87

2 3 10 51,15 25,89 36,65 30,11

Tabela 1 – Dados de Entrada e Saída do Processo

Figura 5 – Resultados para situação 1

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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 eficiên-

cia de 66%.

6.2 ESTIMATIVA DA EFICIÊNCIA PARA SITUAÇÃO 2:

(

) (

)

Para essa configuração de vazões de água quente e fria, o trocador apresentou uma eficiên-

cia 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 = 33

0.6329

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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):

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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 apre-

sentadas, 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 tro-

cador, 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 Guanaba-

ra 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, Universi-

dade 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;

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Figura 7 – Trocador de calor construído pelo grupo