UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

ANÁLISE DE UM RECUPERADOR DE CALOR PARA CHURRASQUEIRAS

por

Alexandre Löw

Beatriz Trapp

Guilherme Alexandre Batista Wobeto

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, junho de 2009

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RESUMO

O presente trabalho propõe-se a analisar a viabilidade técnica/econômica de um sistema para recuperação de calor, na forma de aquecimento de água, para ser utilizado em queimadores a lenha ou carvão, especialmente em churrasqueiras. Os fluxos térmicos (fornecido e recuperado) são medidos e calculados a partir de medições de temperatura e vazão de água. Antes, porém, é escolhida uma temperatura desejada de saída da água. Numa primeira avaliação são concebidos dois critérios para tal determinação: o primeiro deles, de aplicação mais generalizada, é a temperatura mínima de dissolução da gordura acumulada sobre pratos e talheres ao final da refeição, o que possibilita então à água de saída ser utilizada para limpeza dos utensílios; o outro é a temperatura de consumo da água para chimarrão, ao redor de 80 ºC, que embora de utilidade restrita às regiões onde o tal hábito é popularizado, pode abarcar as duas necessidades. Uma vez definida a temperatura de trabalho, esta determina obrigatoriamente a vazão máxima de água passando pelo trocador de calor da seguinte forma: quanto maior for a temperatura desejada, menor é a vazão, mantidas todas as outras condições. De posse de todas estas informações, a viabilidade técnico-econômica é alcançada se a vazão de água medida ao final do processo for tal que supra as necessidades em um tempo viável (exemplo é o caso de água para limpeza - no qual será necessário, em um tempo inferior ao decorrido para assar o churrasco, o aquecimento de água suficiente para que se possa lavar a louça). Para atingir o objetivo acima proposto, são utilizados: uma churrasqueira convencional de porte médio, construída a partir de uma metade de tonel de óleo; uma coifa com serpentina aletada tipo radiador; mangueiras; tubos de cobre e conexões para a água. A fim de simular ao máximo a situação real, é efetivamente realizado o cozimento da carne até o ponto ideal de consumo, de maneira que praticamente todo o calor entregue à serpentina seja proveniente do efeito de convecção. Consegue-se obter resultados satisfatórios, com uma eficiência de recuperação de 58,7%, alcançando um valor de calor recuperado da ordem de 621W. O projeto é de grande utilidade para aplicação como aquecedor de acúmulo.

ABSTRACT

The present work aims to analyze the economic/technical viability of a system for heat recovery, in the form of hot water, to be used in coal/firewood burners, especially barbecuers. The heat flows (supplied and recovered) will be calculated from the measures of temperature and flow rate. First, nevertheless, a desired output water operational temperature must be chosen. At a first evaluation, two criteria were selected: the first of them has a generalized application and consists of the minimum dissolution temperature of the dishware’s accumulated grease that would make output water adequate to be used in dishwashing; in the other there is the temperature of the water used to drink “chimarrão”, at approximately 80 ºC. The maximum output water temperature determines the maximum water flow. If the required temperature is reached in a reasonable time, then the project is compatible with the desired use. To build the experiment are used: a barbecuer made of half a barrel, an overhead exhaust, an air conditioner radiator, a hose, copper tubes and adapters. To simulate a real situation, meat is barbecued as usual, so that all the heat provided to the exchanger comes from convection. Good results can be obtained with an efficiency of around 58,7%, reaching a heat recovery of around 621W. This project is best utilized as a storage water heater.

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SUMÁRIO

1.INTRODUÇÃO.............................................................................................................4

2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................................4

3.FUNDAMENTAÇÃO...................................................................................................5

4.TÉCNICAS EXPERIMENTAIS...................................................................................6

5.VALIDAÇÃO................................................................................................................11

6.RESULTADOS..............................................................................................................11

7.CONCLUSÃO................................................................................................................12

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1. INTRODUÇÃO

Atualmente, é pertinente considerar os crescentes custos e demandas de energia visando à redução do desperdício energético. Enquanto os níveis de CO2 na atmosfera continuam a atingir números cada vez maiores, é importante encontrar soluções para reduzir o uso de combustíveis fósseis.

Um costume gaúcho é reunir-se para fazer churrasco, mas grande parte do calor produzido pelo fogo é desperdiçada, escapando pela chaminé e perdido para o ambiente. Diante desse desperdício energético, se construiu um protótipo de um recuperador de calor a ser instalado em uma churrasqueira. Este protótipo deveria utilizar o calor dos gases de combustão passando pela chaminé para aquecer água. A água aquecida pode ser utilizada para lavar a louça, espetos ou para fazer chimarrão. Outra potencial aplicação seria utilizar esta água para aquecer ambientes, distribuindo-a por uma tubulação interna.

O objetivo deste trabalho foi quantificar o calor ganho pela água, e a energia que pode ser economizada com a utilização deste equipamento.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Um recuperador de energia é um aparato de transferência térmica destinado a recuperar energia residual, e se deve ter em conta que toda recuperação de calor constitui um sistema integrado dentro de um processo, de maneira que se reduza o consumo de energia com um custo global aceitável [REY et al., 2007]. Nos permutadores fechados, também designados recuperadores, o fluído quente e o fluído frio não entram em contacto um com o outro, estando separados por uma superfície separadora (parede). A transferência de energia dá-se por convecção de um dos fluídos para a parede, por condução através da parede, e, finalmente, por convecção outra vez, da parede para o segundo fluído. [CASTRO, 2008]

Os recuperadores de calor podem ser classificados em recuperadores de passagem

simples, ou de passagem múltipla, se cada fluído atravessa o permutador apenas uma vez, ou mais de uma vez, respectivamente. [CASTRO, 2008]

No que concerne o sentido relativo dos dois fluídos, os recuperadores podem ser de fluxo

paralelo ou de co-corrente, se os fluídos se deslocam no mesmo sentido, ou de contra-corrente, quando se deslocam em sentidos opostos, ou ainda de fluxo cruzado, para o caso de a direção ser ortogonal. [CASTRO, 2008]. O tipo de recuperador utilizado para o presente projeto é do tipo de passagem simples e fluxo cruzado.

A eficiência do recuperador de calor pode ser definida como a relação entre a energia que se recupera e a máxima que se poderia recuperar [ALBARRACÍN et al., 2007]:

Trocadores com arranjos que possuem uma densa presença de tubos ou placas aletadas são

denominados trocadores de calor compactos e possuem uma relação de superfície de troca por unidade de volume superior a 700m²/m³ [MARTINS apud INCROPERA, 2006]. Trocadores compactos são utilizados quando ao menos um dos fluidos é um gás, sendo este o caso do presente trabalho, onde o trocador utilizado foi um radiador.

Segundo Wolf, 1999, a parte mais importante, e muitas vezes a mais incerta, da análise de um trocador de calor é a determinação de seus coeficientes de troca térmica, definidos em função da resistência térmica global à transferência de calor. Isto porque, além das dificuldades de cálculo de casos convectivos, que sempre envolvem séries de correlações e gráficos empíricos, ainda existem fatores que dificultam o conhecimento das reais condições do trocador, tais como as incrustações e as condições de utilização do mesmo. Além disso, sabe-se que a presença de aletas aumenta a área superficial e reduz a resistência à transferência de calor.

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3. FUNDAMENTAÇÃO

A figura 1 ilustra o modelo teórico analisado:

Figura 1 – Esquema teórico.

Foram realizados constatações acerca do cálculo:

Balanço energético: qge+qae = qgs+qas , onde: qge: Calor dos gases que entra na sup. de controle; qae: Calor da água que entra na sup. de controle; qgs: Calor dos gases que sai da sup. de controle; qas: Calor da água que sai da sup. de controle; Então, algebrizando: qge-qgs = qas-qae = qr , onde: qr: Calor recuperado. De acordo com o conceito de eficiência apresentado na seção anterior: então: εεεε = qr / qd , onde qd é o calor disponível dos gases (qmax). Tomando cp da água e dos gases constante para a faixa de temperaturas em questão,

podemos reescrever a equação de balanço: qr = [ ρρρρsQscp(Ts-Te) ]água = [ ρρρρsQscp(Te-Ts) ]gases , onde: ρρρρs: Massa específica da saída; Qs: Vazão volumétrica de saída; cp: Calor específico a pressão constante (tomado como constante);

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Te , Ts: Temperaturas de entrada e saída, respectivamente.

De acordo com o método ε-NUT, qmax = Cmin(Tge-Tae) , onde: Cmin: o mínimo entre [ ρsQscp ]água e [ ρsQscp ]gases; Tge , Tae: Temperaturas de entrada dos gases e da água, respectivamente. Neste ponto, visando a determinar de maneira prática as propriedades dos gases, se adota a

seguinte hipótese simplificadora: serão utilizadas como propriedades dos gases unicamente as propriedades do ar, pois este constitui a mais significativa parcela da composição das substâncias participantes da combustão.

Dado o apresentado acima, os valores de qr e qd podem ser determinados medindo-se as vazões mássicas e temperaturas de entrada e saída dos gases e da água. Para se chegar aos valores de vazão mássica utilizar-se-há a massa específica e a vazão volumétrica. A primeira tomada de tabelas como função da temperatura medida e da pressão atmosférica padrão, e a Segunda medida das seguintes maneiras:

• Da água: o tempo necessário para encher completamente um reservatório de volume conhecido;

• Dos gases: tendo em vista a equação que relaciona vazão X velocidade X área: Q = uACd , onde:

u: velocidade média do escoamento; A = 0,075 m2: área da seção transversal de saída dos gases (projeto da coifa); Cd: coeficiente de descarga estimado, primeiramente, em 0,8 a partir da relação

altura/largura da seção de saída. Num segundo momento poderá ser reavaliado a partir do cálculo dos calores; de lado da equação o fornecido e de outro o recebido.

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

Dois testes foram realizados a fim de obter-se a temperatura de saída da água e vazão correspondente (o primeiro em 04/06/2009 e o segundo em 23/06/2009).

Os materiais utilizados para este experimento foram: - Churrasqueira artesanal (construída com meio barril) – Figura 2 - Coifa metálica pintada artesanal – Figura 3 - Multímetro marca MINIPA – Figura 4 - Multímetro marca ICEL - Sensor Termopar tipo J - Sensor PT100 - Garrafa térmica Inox – Volume 1 litro – Figura 4 - Radiador de ar condicionado 300x300mm – Figura 5 - 2 Tubos de cobre ½” e ¼” (250mm comprimento) – Figura 6 - Adaptadores e flanges para tubos de cobre – Figura 6 - 2 Rolos de fita teflon (veda rosca) - 1 Mangueira 3/8” (1,5m comprimento) - Arame galvanizado (2m comprimento) - Alicate, chaves de fenda e chaves de boca - 2 sacos de lenha de eucalipto (15kg cada) - Anemômetro ICEL – Figura 8

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Figura 2 – Churrasqueira artesanal fabricada a partir de um barril com 600mm de diâmetro e

850mm de altura.

Figura 3 – Coifa artesanal.

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Figura 4 – Multímetro Minipa e Garrafa térmica de Inox.

Figura 5 – Radiador de ar condicionado.

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Figura 6 – Tubos de cobre e adaptadores.

O teste consistiu em acender o fogo, esperar a lenha chegar ao estado de brasa, colocar a carne nos espetos e posicioná-los sobre o fogo, então foram colocados a coifa e o trocador de calor (fixados um ao outro com arame) sobre a churrasqueira (Figura 7). A distância entre a lenha e o trocador de calor era de 45cm.

Figura 7 – Montagem do experimento.

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Figura 8 – Anemômetro ICEL.

Após a montagem, foram medidas a temperatura ambiente e a temperatura de saída da água na torneira onde foi conectada posteriormente a mangueira – para isto usou-se o sensor PT100. Ligou-se a mangueira em uma torneira e ao tubo de cobre de ½” que se conectava ao trocador de calor, e foi colocada a garrafa térmica sob o tubo de cobre de ¼” por onde sairia a água do trocador. Uma das extremidades do sensor termopar foi colocada dentro da garrafa térmica, e a outra em um ponto onde ficaria à temperatura ambiente. Um esquema da ligação pode ser visto na Figura 9.

Figura 9 – Esquema de montagem.

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Foram também utilizados espetos com carne a fim de coibir o efeito de radiação do fogo sobre o radiador, simulando um caso real de churrasqueira em residências ou restaurantes.

A temperatura dos gases abaixo e acima do radiador também foi medida, a fim de determinar a quantidade de energia entregue à água presente no trocador de calor, estes dados foram coletados com o sensor de temperatura PT100.

5. VALIDAÇÃO

Durante a montagem para executar o primeiro teste ocorreu um problema ao apertar o flange de encaixe tubo de cobre com o radiador, houve um aperto excessivo que causou um pequeno rompimento do tubo de entrada do radiador. Isto ocasionou um pequeno vazamento de água durante todas as medições do primeiro teste. Devido a este fato foi decidido que deveria ser feito um segundo teste, a fim de eliminar as incertezas de medição devido aos vazamentos - para isto foi soldado o radiador na seção onde o mesmo estava rompido.

Na execução do segundo teste houve problemas de vazamento nas conexões da mangueira, que foram resolvidos com o uso da fita veladora de teflon. Ainda neste teste ocorreu problema com o efeito do vento sobre os gases quentes da churrasqueira, como o experimento foi realizado em ambiente aberto, não era possível manter os gases quentes sob o radiador – isto foi resolvido com o uso de uma placa de madeira sobre a face da churrasqueira exposta às correntes de vento.

Em ambos testes foi constatado que com a carne bloqueando o efeito da radiação, a vazão necessária para esquentar a água devia ser extremamente baixa. No primeiro teste só foi possível conseguir grande elevação da temperatura da água deixando o líquido reservado dentro do radiador durante um determinado período (ligava-se a torneira durante alguns segundos e então interrompia-se o fluxo de água) - para então poder transferir a água já bem aquecida para a garrafa térmica, obtendo-se assim a temperatura desejada.

6. RESULTADOS A temperatura do ar ambiente medida foi de 21°C, enquanto a temperatura da água da

torneira foi de 20°C (Tae). Os resultados das medições podem ser encontrados na tabela 1.

Tabela 1- Resultados das medições realizadas no segundo teste. Medições

1(sem carne) 2 3 4 5(s/vento) Tae 20°C 20°C 20°C 20°C 20°C Tas 70°C 48°C 47°C 47°C 96°C Tge 64°C 64°C 64°C 66°C s/med Tgs 50°C 56°C 53°C 50°C 90°C Tempo 2min30s 3min 3min10s 3min s/med

Vazão media (Qas)

0,0066 l/s (21,6 l/h)

0,0055 l/s (20 l/h)

0,0052 l/s (18,94 l/h)

0,0055 l/s (20 l/h)

A tabela 1 mostra as temperaturas dos gases na entrada e saída do radiador (Tge e Tgs), da

água na saída (Tas), o tempo para encher a térmica de um litro e a vazão da água. A primeira medição foi realizada no início, com o fogo ainda não estabilizado e sem carne, e a última medida foi sem a carne.

Os valores máximos obtidos foram sem a carne bloqueando parte da radiação e sem vento: Tas = 100°C (ferveu) Tgs = 77°C, Tge = 102°C

De posse dos dados obtidos experimentalmente, primeiramente procede-se à avaliação das propriedades dos gases e da água, nas condições medidas (tomando a 4º coluna como padrão):

cpg = 1006 J/(kgK) ; ρgs = 1,095 kg/m3 ; cpa = 4186 J/(kgK) ; ρas = 989,4 kg/m3 ;

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Calculando Qgs a partir das medições de temperatura: Qgs = ρasQascpa (Tas-Tae) / [ρgscpg(Tge-Tgs)] = 0,0352 Calculando então Cmin : [ ρsQscp ]água = 23,0 W/K ; [ ρsQscp ]gases = 38,7 W/K Logo, Cmin = 23,0 W/K.

Neste ponto, para fins de comparação, é possível calcular-se retroativamente Cd , obtendo-

se um valor maior que um. Ora, como Cd deve obrigatoriamente ser menor do que um, conclui-se que o anemômetro apresentou erro significativo, devendo ser, provavelmente, a velocidade de saída na ordem de três vezes maior do que a leitura do instrumento.

O calor máximo fica então finalmente definido: qd = 23,0(66-20) = 1058 W. O próximo passo então é calcular o calor recuperado: qr = 621 W , de maneira que, por

fim, chega-se a um ε = 621/1058 = 58,7 % qr = [ ρρρρsQscp(Ts-Te) ]água = [ ρρρρsQscp(Te-Ts) ]gases

Para se ter uma noção da economia gerada pode-se tomar o preço do kWh residencial para Porto Alegre (aprox.) R$ 0,437, para um tempo mínimo estimado para um churrasco típico de 3h: R$ 0,437 x 3h x 621 W/(1000 Wh) = R$ 0,81

7. CONCLUSÃO

Através do experiento realizado foi possível analisar a transferência de calor dos gases quentes gerados na combustão da lenha para o trocador de calor e consequentemente para a água. Conseguiu-se uma elevação significativa na temperatura da água, porém este aquecimento foi sempre limitado pela vazão.

Os resultados calculados não são exatos por não levarem em consideração a participação da radiação. Projetos futuros poderiam adicionar esta parcela aos cálculos. O vento também influiu bastante nos resultados, o que não ocorreria no uso de uma churrasqueira convencional.

Este projeto mostrou-se viável como aquecedor de acúmulo, para este fim seria necessário um reservatório térmicamente isolado, com volume a ser definido em estudos futuros. Como aquecedor de passagem, conclui-se que é viável para uso com baixas vazões de água, ou então para usos que necessitem temperaturas de saída da água não muito altas.

As limitações do uso do projeto como aquecedor de passagem podem ser minimizadas com algumas modificações na construção do experimento: uso de placas de aço no entorno da churrasqueira, para minimizar a mistura de correntes de vento com os gases quentes da combustão; uso de um radiador com maior área de troca de calor e maior volume de armazenamento de água e uso de uma válvula mais precisa que uma torneira comum para controlar a entrada de água. Serão necessárias modificações no projeto e novos experimentos para verificar a viabilidade destas sugestões.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

F. J. REY, C. CANO, E. VELASCO, F. FLORES MURRIETA, F. VARELA DIEZ, E. HERNANDEZ GALLEGO, 2007, “Estudio Energético, Económico Y Ambiental Mediante Simulación De Diferentes Tipos De Recuperadores De Calor Aplicados A Un Centro De Salud” , Universidad de Valladolid , España. R. CASTRO, 2008, “Energias Renováveis e Produção Descentralizada” , Universidade técnica de Lisboa, Portugal. E. M. ALBARRACÍN, JÁ. SANABRIA, A. MAILLO, 2007, “Recuperación De Calor Del Aire De Extracción Mediante Circuito Frigorífico” R. WOLF, 1999, “Análise do Desempenho do Evaporador de um Ar Condicionado” , Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. A. MARTINS, 2006, “Projeto de um sistema para produção de energia elétrica e aquecimento/resfriamento residencial utilizando turbina a gás” , Universidade de São Paulo, São Paulo. F.P. INCROPERA, D.P. DEWITT, 2008, “Fundamentos de Transferencia de Calor e Massa”, Editora LTC, Rio de Janeiro R.W. FOX, 2006, “Introdução á Mecânica dos Fluidos”, Editora LTC, Rio de Janeiro Tabela de avaliação: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Qualidade do Relatório

Fundamentação Instrumentação Resultados e conclusões

Incertezas Criatividade