UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

ENGENHARIA MECÂNICA

Projeto de um trocador de calor para

arrefecimento de mosto de cerveja

Eduardo Bered Fernandes Vieira - 170595

Leandro Behling Schäfer - 171319

Pierre Oberson de Souza - 170598

Porto Alegre, 13 Dezembro de 2011

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Resumo

No presente trabalho é realizada a montagem e estudo de um pasteurizador de

cerveja. Esse equipamento funciona com o princípio da troca de calor entre dois fluidos a

temperaturas diferentes. O trocador foi montado com a seguinte configuração: um tubo de

cobre (por onde circula o fluido quente) com diâmetro externo 3/8” circundado por uma

mangueira plástica de diâmetro 3/4” (por onde percorre o fluido frio), vazão contra-corrente

do liquido de arrefecimento. Objetivou-se a diminuição da temperatura da água proveniente

da fonte quente (75°C) para a mais próxima possível da fonte fria (temperatura ambiente).

Para fins de análise, foi substituído a cerveja por água devido a seu baixo custo e grande

disponibilidade. Medidores de vazão do tipo tanque aferido são construídos para obter dados

da vazão nas duas correntes analisadas. Foram realizados experimentos no laboratório LETA

(UFRGS) - Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos, que demonstraram resultados

concordantes com a expectativa e que estiveram de acordo com a fundamentação teórica.

Palavras-chave: pasteurizador, cerveja, arrefecimento, medidores de vazão.

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Abstract

In this paper, the assembly and study of a beer pasteurizer is developt. This equipment

works based on the principle of heat exchange between two fluids at different temperatures.

The exchanger was mounted following this configuration: a copper tube (through which the

hot fluid circulates) outside diameter 3/8" surrounded by a plastic hose diameter 3/4" (where

the cold fluid goes) flow against current of the liquid cooling. The temperature reduction of the

hot water (75 ° C) is aimed for the nearest possible source of cold (room temperature). For

analysis purposes, the beer was replaced by water due to its low cost and wide availability.

Flow meters (calibrated tank) were constructed to obtain flow data analyzed in two streams.

Experiments were performed in the laboratory LETA (UFRGS) - Laboratory of Thermal and

Aerodynamic studies, which showed results consistent with expectations and were in

agreement with the theoretical.

Keywords: pasteurizer, beer, cooling fluid, flow meters.

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1. Introdução

Louis Pasteur, (1822-1895), descobriu em 1864 que o aquecimento de certos

alimentos e bebidas acima de 60°C por um determinando tempo e depois abaixando

bruscamente a temperatura do alimento evitando a sua deterioração, reduzindo de maneira

sensível o número de microorganismos presentes na sua composição.

Em resumo, o processo de pasteurização consiste no aquecimento do alimento até

uma dada temperatura com o objetivo de eliminar microrganismos presentes ali.

Posteriormente, é realizado o arrefecimento deste alimento ou substância.

Neste trabalho, foi focado apenas o resfriamento do mosto (água quente).

Objetivaram-se, assim, os seguintes aspectos: maior diminuição de temperatura da água

quente (eficácia), maior vazão possível da água quente (produção), menor vazão possível do

fluido de arrefecimento (eficiência) e menor incertezas de medição das vazões.

Baseado nos aspectos relatados anteriormente, foi realizado o projeto e montagem de

um trocador de calor que melhor atendesse aos critérios. Utilizou-se tubulação de cobre, com

o fluido refrigerante na configuração contra-corrente. Foi construído, ainda, medidores de

vazão por tanque aferido para obtenção de valores do consumo de água necessária para o

arrefecimento do mosto, bem como a quantidade final do mosto resfriado em um

determinado tempo de operação.

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2. Revisão Bibliográfica

Atualmente, o número de pessoas interessadas em fabricar cerveja caseira vem

crescendo. Porém, uma cerveja de qualidade exige um cuidado especial em todas as etapas de

sua fabricação. Dentre estas etapas, a bibliografia [AQUARONE, 2003] destaca a fervura,

filtração, resfriamento e fermentação. A fase do resfriamento é feita em trocadores de calor. A

temperatura normalmente decresce de 80°C a 10°C. Nesta fase, precipitam-se complexos de

proteínas com resinas e taninos, reação esta conhecida como cold break, que se inicia a 65°C.

Esta fase é um dos pontos em que é possível o estabelecimento de infecções por bactérias e

penetração de leveduras selvagens. Tendo em vista que o objeto de estudo deste trabalho é o

resfriamento. A cerveja sofre o tratamento térmico de pasteurização, através de trocadores de

calor, antes do envasamento, ou por túneis após o envasamento. A pasteurização através de

trocadores de calor se realiza elevando-se a temperatura da cerveja à 75°C e a mantém por

alguns segundos.è difícil assegurar que toda a cerveja alcance realmente e esta temperatura,

entre outras razões pelo obstáculo que representa a tendência do dióxido de carbono de não

solubilizar-se. Por isso, muitas instalações de fluxo contínuo têm dispositivos de recirculação.

Para evitar a desgaesificação, é necessário operar-se a uma pressão, no sentido da corrente,

de 7,5 a 10 bares e uma contra-pressão de 1 a 5 bares. É, no entanto, proteger a cerveja contra

infecções posteriores à pasteurização, o que exige seu envasamento em recipientes estéreis.

3. Fundamentação Teórica

Segundo Kakaç e Liu (2002), 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 se misturam, ou

podem estar em contato direto

De acordo com [INCROPERA] há três tipos básicos de trocadores de calor. São eles:

coaxial, casco e tubo e os compactos.

3.1. Tipos de trocadores de calor

Atualmente, são utilizados, principalmente, três tipos básicos de trocadores de calor: o

duplo tubo (coaxial), o casco e tubo e os trocadores de calor compactos.

A configuração e uma breve análise dos três tipos estão relatadas abaixo:

Trocador duplo tubo: O trocador duplo tubo (Figura 3.1.1) 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.

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Figura 3.1.1: Trocador de calor duplo-tubo com escoamento paralelo

(fonte: BEJAN, 1996)

As principais vantagens são: facilidade de construção e de montagem, ampliação de

área, facilidade de manutenção e de acesso para limpeza.

Trocador de calor casco e tubo:

O trocador de calor casco e tubo (Figura 3.1.2) é composto por um casco cilíndrico,

contendo um conjunto de tubos, colocados paralelamente ao eixo longitudinal do casco. Os

tubos são presos, em suas extremidades a placas perfuradas denominadas espelhos e a cada

furo corresponde a um tubo do feixe. Os espelhos são presos de alguma forma ao casco. Os

tubos que compõe o feixe atravessam varias placas ferfuradas, as chicanas, que servem para

direcionar o fluido que escoa por fora dos tubos e também para suportar os tubos. No

trocador um dos fluidos escoará pelo interior dos tubos e outro por fora dos tubos. A área de

troca pode ser disposta de várias maneiras, por exemplo, pode-se ter um equipamento com

tubos longos e com determinado diâmetro de casco ou com a mesma área construir outro

trocador com tubos curtos. Relações de custo que é mais conveniente e mais econômico

construir trocadores longos com diâmetros de casco e de tubos menores.

Figura 3.1.2: trocador de calor casco e tubo (fonte: INCROPERA)

A distribuição dos tubos é padronizada e o número de tubos que é possível alocar em

um determinado diâmetro, depende do diâmetro externo do tubo, da distância e arranjo dos

tubos que compõe o feixe e do numero de passagens no lado do tubo. O espaçamento entre

as chicanas é padronizado. A redução no seu espaçamento tende a elevar o coeficiente de

troca de calor do lado do casco, entretanto, tende a aumentar também a perda de carga o que

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pode sobrecarregar o sistema de movimentação do fluido. Diferentes tipos de chicanas fazem

com que o escoamento seja aproximadamente perpendicular aos tubos ou paralelo a eles.

Trocadores de calor compactos: São equipamentos que apresentam alta razão entre

área de transferência de calor e volume do trocador. São exemplos deste tipo de trocador os

trocadores de placa e espiral, trocadores com tubos aletados, resfriadores a ar e variações do

trocador casco e tubo (alta taxa de transferência de calor devido à turbulência).

3.2. Métodos para cálculo de trocadores de calor

Existem dois métodos principais para o cálculo de trocadores, o primeiro é o DTML,

que tem seu uso aconselhado para situações onde se sabem as temperaturas de entrada e

saída. Outro método é o método NUT, que é aconselhado quando se sabem as dimensões do

trocador e se deseja saber as taxas de transferência de calor.

Método DTML:

Sendo :

Sendo U definido como o coeficiente global de transferência de calor, que é calculado

através da construção de um circuito térmico. Há também a possibilidade de encontrar na

literatura tabelas com valores para o U:

Tabela 3.2.1 – Valores para coeficiente global de transferência de calor (fonte –Bejan –

Transferência de calor)

Fluidos envolvidos Uo (W/(m2 · K) Fluido Quente Fluido Frio

Água Água 1000 - 2500

Amônia Água 1000 – 2500

Gases Água 10 – 250

Orgânicos leves* Água 370 – 730

Orgânicos pesados** Água 25 – 370

Vapor d’água Água 1000 – 3500

Vapor d’água Amônia 1000 – 3500

Vapor d’água Gases 25 – 250

Vapor d’água Orgânicos leves* 500 – 1000

Vapor d’água Orgânicos pesados** 30 – 300

Orgânicos leves* Orgânicos leves * 200 – 400

Orgânicos pesados** Orgânicos pesados ** 50 – 200

Orgânicos leves * Orgânicos pesados** 50 – 200

Orgânicos pesados ** Orgânicos leves * 150 – 300

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Método NUT:

Primeiramente é definida a taxa máxima de transferência de calor:

Sendo Cmin a menor capacidade calorífera.

Temos então a efetividade como:

Podemos então descrever o NUT como:

Existem valores tabelados de NUT para diversos casos, no caso de tubos coaxiais temos

as seguintes relações:

Escoamento paralelo:

Escoamento contra corrente:

Nas figuras a seguir temos o comportamento das temperaturas nos dois casos, correntes

paralelas (figura 3.2.2) e contra corrente (figura 3.2.1):

Figura 3.2.1 - Escoamento contracorrente. Figura 3.2.2 - Escoamento paralelo.

(fonte: BEJAN, 1996)

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Na configuração contracorrente, temos os fluidos entrando pelas extremidades

opostas, conseqüentemente o escoando em sentidos opostos. Nota-se que para as mesmas

configurações o trocador de contra corrente consegue uma diferença de temperaturas maior

quando comparado ao com fluxo paralelo.

3.3. Medidor de Vazão por tanque aferido

Segundo [SCHNEIDER, 2007], a vazão de um dado fluido pode ser obtida de

forma simplificada utilizando-se um método exposto na figura a seguir:

Figura 3.3.1 – Medidor de Vazão por tanque aferido (fonte: SCHNEIDER, 2007)

Na figura 3.3.1, acima, tem-se um escoamento de um dado fluido por meio da bomba

enchendo um tanque. A medida da diferença de nível no reservatório, ao longo de um período

de tempo informa a vazão volumétrica Q fornecida pela bomba nesse circuito.

4. Técnicas experimentais

O experimento proposto está descrito abaixo:

No laboratório foi fornecido fluido quente (água a 75°C) bem como vazão de água

bombeada a temperatura ambiente para fins de arrefecimento. Objetivou-se a diminuição da

água quente o mais próximo possível da água fria. Para tanto, o trocador construído foi

instalado na bancada e mediram-se as vazões na entrada e saída. Um esquema da montagem

de forma generalizada está exposto na figura 4.1 abaixo:

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Figura 4.1: Esquematização do sistema de resfriamento montado no laboratório

(fonte: edital do concurso disponível em http://143.54.70.55/medterm/edital.pdf)

Para construção foram utilizados: um tubo de cobre (3/8)” por onde circula o fluido

quente, uma mangueira plástica de ¾” por onde circula o fluido frio, uma mangueira plástica

de ½” para conexões, abraçadeiras metálica para vedação e adaptadores de rosca ½” para

fixação na bancada; união da mangueira ¾ para ½”.

Os custos dos equipamentos são apresentados na tabela a seguir:

Tabela 4.1: Preços dos materiais utilizados para fabricação do trocador de calor

Item Unidade Preço unitário Preço total

Tubo de cobre 3/8" 5m R$14,29 por m R$ 71,45

Mangueira 3/4" 6m R$2,49 por m R$ 14,94

Mangueira 1/2" 2m R$1,46 por m R$ 2,92

Abraçadeira 4 R$ 1,40 R$ 5,60

Adaptador rosca 1/2" 2 R$ 0,72 R$ 1,44

União mangueira 3/4 para 1/2" 2 R$ 1,02 R$ 2,04

Conectores de cobre 2 R$9,00 R$18,00

Teflon 2 R$2,13 R$4,26

O medidor de vazão utilizado foi do tipo tanque aferido. Uma proveta de laboratório

de 1L foi utilizada para calibração e medição de faixas de volume para o reservatório utilizado.

Buscou-se um grande volume para minimizar erros. O medidor baseia-se na idéia da diferença

de nível no reservatório num certo intervalo de tempo que será medido com um auxilio de um

cronometro. O reservatório utilizado é apresentado na figura 4.2 abaixo:

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Figura 4.2: Reservatório utilizado para medições da vazão

Uma fotografia da montagem prévia do experimento está apresentada na figura a

abaixo:

Figura 5.2 – construção do protótipo para arrefecimento do mosto

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5. Validação do experimento

Como esperado, o experimento funcionou de forma adequada e os resultados se

mostraram dentro das expectativas iniciais.

A dificuldade maior foi a estabilização da temperatura da fonte quente, porém após

esta estabilização foi possível realizar diversas medições com diferentes vazões afim de

comprovar o correto funcionamento do pasteurizador construído.

Quanto a erros e incertezas é possível citar as incertezas de medições das

temperaturas, essas medidas com termopares e de vazão, essa medida por meio de tanque

aferido e utilizando um cronometro. A incerteza de medição da vazão é de difícil quantificação,

isto porque há grande variação no tempo de reação de cada pessoa, fato que é de suma

importância na medição da vazão por tanque aferido.

6. Resultados

O experimento foi conectado na bancada do laboratório. Foram utilizados quatro

pares de vazões (quente e fria) para cada teste. Diferentes valores de vazões e a mudança do

fluxo possibilitaram a visualização de diferentes respostas para o projeto.

No primeiro momento, foi utilizado o sistema em contra-fluxo haja vista a melhora de

desempenho como pode ser observado na fundamentação teórica. No quinto teste, no

entanto, foi substituído por um fluxo paralelo para fins de comparação. Em todas as figuras

que serão mostradas a seguir, os valores referem-se de cima para baixo da seguinte forma:

temperatura da água quente no reservatório, temperatura da água quente na entrada do

trocador, temperatura da água quente na saída do trocador, temperatura da água fria na

entrada do trocador e temperatura da água quente na saída do trocador.

Serão detalhados a seguir, os testes realizados:

O primeiro teste visou obter a máxima diferença de temperatura na entrada e saída do

trocador para a fonte quente. Para tanto, foi configurado uma vazão de água fria no valor de

11L/min. Para água quente fixou-se o valor de 2L/min. As diferenças de temperatura após a

estabilização da resposta são apresentadas na figura 6.1.

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Figura 6.1: Valores de temperaturas para vazão máxima de água fria

O segundo teste foi baseado na idéia de diminuir o consumo de liquido de

arrefecimento. Porém, foi reduzido apenas um pouco abaixo (8L/min) do teste anterior para

possibilitar a diferença de temperatura que esse efeito produziria. O valor da vazão de água

quente permaneceu inalterado. O resultado é apresentado na figura 6.2 abaixo:

Figura 6.2: Valores de temperaturas. Vazão da fonte fria: 8L/min

No terceiro teste realizado, foi realizada a medição das temperaturas sob

circunstancias em que as vazões das duas fontes seriam as mesmas. Ambas teriam um valor de

4L/min. A resposta é apresentada na figura 6.3 seguir:

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Figura 6.3: Valores de temperaturas para valores médios de vazões

O quarto teste foi baseado na idéia da pior situação possível em termos de troca de

calor por parte do protótipo. Nessa situação, foi reduzido ao mínimo o valor da vazão de

liquido de arrefecimento (2L/min) e ao máximo o valor da vazão da fonte quente (11L/min).

Como esperado, essa situação apresentou a menor perda de temperatura dentre todos os

testes. Com essa configuração, a água quente permanece pouco tempo em contato com a

água fria. Tem-se que destacar ainda o fato de que a água fria ganhar calor por mais tempo

diminuindo assim a diferença de temperatura e, conseqüentemente, diminuir a perda de calor.

O resultado deste teste é apresentado na figura 6.4 que segue:

Figura 6.4: Valores de temperaturas para o pior caso: mínima vazão de água fria

No quinto teste realizado, como no primeiro, buscou-se a resposta do sistema para os

valores de vazões para o caso com a máxima vazão de água fria e mínima de água quente.

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Porém, agora, o fluxo da água fria seria paralelo ao da água quente. Como esperado, a

diferença de temperatura foi menor comparada com o teste em contra-fluxo para mesmas

vazões. A diferença observada entre as situações foi de 3,2°C. A resposta da configuração por

completo é apresentada na figura 6.5 a seguir:

Figura 6.5: Valores de temperaturas para máxima vazão de água fria com fluxo paralelo

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7. Conclusões

Com a realização deste projeto, foi possível a verificação e validação da teoria a

respeito de trocadores de calor. Por meio da construção do protótipo, pode-se perceber as

dificuldades envolvidas neste processo e o grande número de variáveis que tornam um

trocador eficaz. Dentre elas, é possível citar o material utilizado, o sentido do fluxo do fluido de

arrefecimento e as vazões das fontes (quente e fria). O material influencia diretamente a troca

de calor. Utilizou-se o cobre devido a seu alto coeficiente de condução que proporciona um

elevado efeito útil neste caso (resfriamento). O sentido do fluxo foi objeto de estudo neste

experimento e constatou-se que a configuração contracorrente foi mais eficiente que a

configuração na qual os fluidos escoam no mesmo sentido. Para a mesma relação de vazões, o

contracorrente obteve um resfriamento de 3°C superior se comparado com o paralelo. Para os

demais testes, constatou-se que a redução de temperatura da água quente é aumentada com

o aumento da vazão de água fria e/ou diminuição da vazão de água quente a ser refrigerada.

Porém, ao aumentar demasiadamente a vazão de água fria, constatou-se que a eficácia

diminui. Analisando o caso onde obteve-se a maior diferença de temperatura, foi possível

uma redução de 28°C para uma vazão de 11L/min de água fria. No caso com vazão da fonte

fria de 8L/min, foi reduzido em 26,63°C a temperatura da água quente. No pior caso analisado,

com vazão da água fria no valor de 2L/min e da água quente no valor de 11L/min foi reduzido

em 10,93°C a temperatura.

Analisando a realização deste experimento de forma geral, foi possível constatar que o

projeto de um trocador de calor abrange muitos aspectos na área das ciências térmicas. Além

disso, entendeu-se que o dimensionamento, bem como as vazões estabelecidas, dependem de

diversos aspectos que serão tomados como parâmetros para posterior classificação. Para tal

fim, preza-se por valorizar aquele parâmetro no qual entendeu-se como sendo prioridade de

projeto.

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8. Referências Bibliográficas

INCROPERA, F. P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7. ed. New York:

John Wiley & Sons

SCHNEIDER, P. S., 2007, Medição de velocidade e vazão de fluidos. Departamento de

Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

Trocadores de calor:

http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema074/trocador/nut.htm acessado em

02 de dezembro de 2011.

SADIK KAKAC AND HONGTAN LIU, March-2002. Heat Exchangers: Selection, Rating

and Thermal Design. 2nd Edition ed. [S.l.]: CRC Press,

E. AQUARONE ; U. DE ALMEIDA LIMA ; W. BORZANI. Alimentos e Bebidas

Produzidos por Fermentação. Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo, 1993

BEJAN, Adrian. Transferência de Calor. Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1996.