UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
MINI-TORRE DE RESFRIAMENTO
COM ÊNFASE A UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO SERPENTINA
por
André de Ávila Borges
Guilherme Saliba Minuzzo
Roberta Perini
Welder Boeno de Souza
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, junho de 2009
ii
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo e observações realizadas de uma mini-torre de
resfriamento que possui em seu interior um tubo de cobre (serpentina). É construída uma
bancada experimental que une os processos que ocorrem em uma torre de resfriamento e em um
trocador de calor. No interior da mini-torre é colocada a serpentina, por onde passa o fluido a ser
refrigerado (água quente). Um líquido refrigerante (água fria) é aspergido sobre esta e também
há passagem de ar atmosférico succionado por dois ventiladores no topo da torre de
resfriamento. Pretende-se, principalmente, que a água quente resfrie, e se quer verificar o que
acontece com os demais parâmetros (água fria e ar). As temperaturas dos três fluidos envolvidos
são medidas tanto na entrada da torre quanto na saída, e ainda é aferida a vazão do fluido que
passa na serpentina. Como avaliação dos resultados, tem-se que, quanto maior a vazão do fluido
refrigerado, menor é a diminuição da sua temperatura. O ar sai da torre um pouco mais quente e
a água fria também aquece. Estes dois últimos resultados colocam em dúvida a eficiência do
borrifador da água fria e dos ventiladores. Comprova-se pelos testes que a água é melhor
trocador de calor que o ar no momento em que se obtém uma maior diminuição da temperatura
da água quente quando apenas a água fria está atuando sobre o tubo de calor em comparação a
apenas o ar atuando sobre este. Nada foi possível afirmar sobre a troca de calor na mini-torre,
pois não se tem completamente definidos os fenômenos que ali acontecem.
iii
ABSTRACT
Mini-Cooling Tower with Emphasis to a Coil Heat Exchanger
This work shows the study and observations about a mini-cooling tower which have a
copper tube in its inner (coil). It’s built a test stand that joins the occurring processes in a cooling
tower and in a heat exchanger. Inside the mini-cooling tower is placed the coil where flows the
fluid to be refrigerate (warm water). A refrigerant fluid (cold water) is sprinkled on it and on top
of the cooling tower happens the atmospheric air passage that’s sucked by two coolers. The main
goal is becoming the warm water colder, and checking what happens with the others parameters
(cold water and air). The three involved fluid temperatures are measured as in as out of the tower
and it’s still measured the fluid flow rate that passes in the coil. It’s noticed about the results that
how much larger the refrigerated fluid flow rate is, the temperature diminution is smaller. The air
goes out the tower a bit warmer and the cold water warms too. These last two results questioning
the cold water sprinkle and coolers efficiency. It’s verified by the tests that the water is better
heat exchanger than the air at the moment that’s obtained a higher warm water temperature
diminution when just the cold water is operating on the heat tube in comparison only the air
action on it. It’s possible to conclude nothing about the heat exchange in the mini-tower, because
the phenomena that occurred there were not completely defined.
iv
LISTA DE SÍMBOLOS
ε
∆t
T1
T2
Tx
Eficiência do Equipamento
Diferença de Temperatura [ºC]
Temperatura da água quente na entrada da torre
[ºC]
Temperatura da água quente na saída da torre
[ºC]
Temperatura do ar ou temperatura da água fria na entrada da torre [ºC]
v
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO........................................................................................................................................1
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................................................2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................................................3
MODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDO..............................................................................6
VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS..................................................................................................11
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS...................................................................12
CONCLUSÕES......................................................................................................................................17
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................................18
APÊNDICE ...................................................................................................................................21
1
INTRODUÇÃO
Torres de resfriamento e trocadores de calor são equipamentos muito importantes na área
de energia térmica e fenômenos de transporte. Resfriar a água, umidificar o ar, dissipar melhor o
calor são processos presentes no cotidiano das pessoas, mas que ganham fundamental
importância em empresas e fábricas e por isso, devem ser bem entendidos e esclarecidos na
formação acadêmica das pessoas da área.
Este trabalho abordará o estudo e observação sobre o que acontece em uma torre de
resfriamento e em um trocador de calor, caracterizando-se pela montagem de uma bancada
experimental e medições das temperaturas dos fluidos de trabalho.
A principal finalidade deste trabalho é tentar representar de forma simples e reduzida,
uma torre de resfriamento com trocador de calor. Quer-se mostrar que um fenômeno importante
e muito utilizado no dia-dia pode ser visualizado e compreendido, de maneira prática, com um
experimento “caseiro”, que não envolva muita tecnologia e instrumentos/equipamentos caros.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Segundo Moretti et al. (2006) a teoria básica de operação de torres de resfriamento foi
primeiro proposto por Walker et al. (1923), que desenvolveram as equações básicas para a
transferência total de massa e energia e consideram cada processo separadamente. Merkel (1925)
combina os coeficientes de transferência de calor sensível e massa num único coeficiente global,
baseado no potencial entálpico como força motora. A teoria proposta por Merkel requer algumas
hipóteses simplificadoras, que têm sido universalmente adotadas para o cálculo do desempenho
de uma torre de arrefecimento.
Na literatura sobre torres de resfriamento são comumente encontrados dois parâmetros
para a avaliação do desempenho de uma torre de resfriamento: efetividade e eficiência. De
acordo com Khan e Zubair (2001), a efetividade de uma torre é definida como a razão da energia
que efetivamente é trocada e o máximo valor possível de energia a ser transferida. Segundo
Fisenko e Petruchik (2004), a eficiência pode ser definida como a razão entre a diferença de
temperatura de entrada e saída de água na torre, e a diferença entre as temperaturas de entrada e
de bulbo úmido local.
Kim e Smith (2001) apresentam estudo para o projeto de um sistema de água resfriada.
Um modelo foi desenvolvido para o desempenho de uma torre de resfriamento permitindo as
interações entre o desempenho da torre de resfriamento e o projeto de redes de água a explorar
sistematicamente. Ele mostra que a efetividade da torre aumenta quando a temperatura da água
na entrada da torre é alta.
Zweifel et al.(1995) apresentam alguns dos resultados do desenvolvimento e aplicação de
equipamentos, relacionados com a simulação de sistemas de aquecimento, ventilação e calefação
de ambientes de edifícios. Dentre eles, um modelo para uma torre de resfriamento de circuito
fechado. O modelo é expresso em função dos termos do projeto como a carga de calor da torre,
vazão mássica de água, etc. Depois de fixar um procedimento com as condições nominais, o
modelo calcula a temperatura de saída da água para diferentes condições de operação.
3
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 TORRE DE RESFRIAMENTO
As torres de resfriamento são as mais empregadas nos sistemas de refrigeração de grande
porte, visto que seu melhor desempenho está nesta área de aplicação. (Stoecker 1985). Num
sistema de refrigeração a torre de resfriamento representa a fonte quente do ciclo termodinâmico
e merece grande atenção para sua seleção e controle em operação. (Dossat, 1992). As torres de
resfriamento são classificadas entre os sistemas de resfriamento evaporativo, o que consiste na
transformação de calor sensível em calor latente, donde a água e o ar são fluidos de trabalho.
(Stoecker, 1985). A transferência de calor por evaporação da água no ar é mais eficiente quando
a temperatura é alta e o resfriamento se faz mais necessário. As torres de resfriamento podem ser
de contato direto ou indireto, dependendo se os fluidos ar e água são ou não misturados.
Torres de resfriamento são utilizadas para remover o calor da água que vem do
condensador do chiller, geralmente esta temperatura antes da troca está em 37°C e depois retorna
ao chiller com 30°C. Essas torres trocam calor com o ar atmosférico. Ventiladores executam a
circulação de ar atmosférico por sobre a água do condensador na torre de resfriamento. Bombas
de água gelada são utilizadas para movimentar a água e dar pressão na tubulação de água.
Ventiladores e exaustores são máquinas de fluxo destinadas a insuflar e remover o ar do
ambiente condicionado. É essencial que na instalação todos os equipamentos sejam providos
com adequados sensores de temperatura, medidores de vazão, medidores de pressão das bombas,
etc. Só assim o desempenho do sistema está propriamente estabelecido.
As torres de resfriamento podem ser classificadas como Torres Naturais e Torres
Mecânicas. Nas Torres Naturais, o suprimento de ar na torre é efetuado por convecção natural. Já
nas Torres Mecânicas, o ar é suprido através de ventiladores. Por sua vez, as torres de tiragem
mecânica podem ser classificadas como as de tiragem forçada ou tiragem induzida. Elas também
se classificam quanto à direção de fluxo de ar e água: fluxo cruzado ou contracorrente. Nas torres
de fluxo cruzado, o fluxo de ar é horizontal, sendo cortado transversalmente por um fluxo de
água vertical descendente. Já nas torres com fluxo contracorrente, o fluxo de ar move-se
ascendentemente e a água possui o fluxo descendente. Cada tipo de fluxo apresenta vantagens e
desvantagens. Portanto, a seleção depende das condições de instalação e da capacidade da torre.
O desempenho de uma torre de resfriamento varia, entre outros fatores, conforme a
temperatura do ar ambiente, umidade do ar, temperatura de bulbo úmido, ou seja, com o clima.
No inverno, a temperatura do ar cai e a temperatura de saída da água também cai, caso a carga
térmica seja mantida constante. Para manter a temperatura da água de saída constante, pode-se
diminuir a vazão de água que recircula no sistema de refrigeração. No verão, ocorre o inverso, a
temperatura de saída da água aumenta, comprometendo a operação de um condensador em uma
coluna de destilação, por exemplo. Pode-se aumentar a vazão de água no sistema, visando
compensar o aumento de temperatura.
3.1.1 OPERAÇÃO DE TORRES DE RESFRIAMENTO
A teoria básica de operação de torres de resfriamento foi primeiro proposto por Walker et
al. (1923), que desenvolveram as equações básicas para a transferência total de massa e energia e
consideram cada processo separadamente. Merkel (1925) combina os coeficientes de
transferência de calor sensível e massa num único coeficiente global, baseado no potencial
entálpico como força motora. A teoria proposta por Merkel requer algumas hipóteses
simplificadoras, que têm sido universalmente adotadas para o cálculo do desempenho de uma
torre de arrefecimento.
Na prática, para projetar torres de resfriamento, é muito comum usar o conceito de
eficiência de resfriamento, definida por:
4
ε=
T1 − T2
T1 − Tx
(1)
Onde:
ε : eficiência do equipamento analisado.
T1 : temperatura da água quente na entrada da torre, [ºC].
T2 : temperatura da água quente na saída da torre, [ºC].
Tx : temperatura do ar ou temperatura da água fria, na entrada da torre, [ºC].
3.1.2 VARIÁVEIS DE PROCESSO E ESPECIFICAÇÃO DA TORRE DE RESFRIAMENTO
3.1.2.1 FAIXA
A faixa de uma torre de resfriamento é definida como a diferença entre a temperatura da
água quente (alimentação da torre) e a temperatura da água fria (saída da torre). Ela varia
conforme as condições climáticas e a vazão da água de resfriamento na torre.
3.2 TROCADOR DE CALOR
O equipamento conhecido como trocador de calor é usado para implementar a troca de calor
entre fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede
sólida. Pode-se classificar os trocadores de diversas maneiras: quanto ao modo de troca de calor,
quanto ao número de fluidos, tipo de construção, etc. De uma forma mais básica, duas
classificações são interessantes: aquela que divide os trocadores entre aqueles que utilizam o
contato direto e os de contato indireto e uma outra que os classifica em função das suas
características de construção.
3.2.1 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO A CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUÇÃO
Os tipos existentes de trocadores de calor são: trocador tubular, de placas, de superfície
estendida e regenerativos. Existem outros, mas os grupos principais são estes. Aqui vamos focar
apenas o primeiro.
3.2.1.1 TROCADORES TUBULARES
São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com
o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líquido/líquido (uma ou duas
fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás,
principalmente quando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum
outro tipo de trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados como carcaça e
tubo, tubo duplo e de espiral.
3.2.1.1.1
TROCADOR DE CALOR EM SERPENTINA
Este tipo de trocador, representado na Figura 1, consiste em uma ou mais serpentinas (de
tubos circulares) ordenadas em uma carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral
é mais alta que para um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada em
um determinado espaço utilizando as serpentinas.
5
Figura 1 – Trocador de calor de serpentina.
6
MODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDO
4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
•
•
•
•
•
•
•
AQUECEDOR ELÉTRICO
VENTILADOR
FONTE DE TENSÃO
MEDIDOR DE TEMPERATURA
PT100
TERMOPAR TIPO J
SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS
4.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Foi montada uma bancada experimental, na qual foram feitas as medições, que representa
de forma bem simplificada e reduzida, uma torre de resfriamento. Devido às alterações
realizadas a fim de facilitar e agilizar a montagem da bancada, a torre de resfriamento não poderá
ser assim denominada uma vez que não possui as mesmas características, mesmo que de forma
reduzida.
A bancada foi montada tendo em vista uma torre de resfriamento com circuito fechado,
porém, no nosso caso, a passagem tanto do fluido refrigerante quanto do fluido a ser refrigerado
está em circuito aberto (passagem contínua, não há retorno do mesmo fluido). Esta alteração foi
necessária a fim de baratear o equipamento e também simplificá-lo.
O esquema ilustrado na Figura 2 mostra como foi a construção da bancada. A bancada é
uma mini-torre de resfriamento com serpentina. Cada equipamento é indicado por um número
que descreve um fenômeno ou um instrumento (conforme mostrado logo abaixo da figura). As
demais ferramentas utilizadas são máquinas do laboratório LETA (Laboratório de Estudos
Térmicos e Aerodinâmicos) da UFRGS, onde todo o experimento foi realizado, desde a
montagem da bancada até as medições da temperatura.
Figura 2 – Esquema da construção da bancada experimental, uma mini-torre de resfriamento
com utilização de serpentina.
7
Cada número mostrado na figura anterior corresponde a alguma ação ou equipamento,
como indica a lista abaixo:
1. Entrada do fluido refrigerante (água fria);
2. Entrada do fluido a ser refrigerado (água quente);
3. Entrada do ar atmosférico;
4. Borrifador (chuveiro) de água;
5. Esguicho do fluido refrigerante;
6. Serpentina de cobre;
7. Saída do fluido refrigerado;
8. Saída do fluido refrigerante;
9. Ventilador de CPU (saída do ar atmosférico);
10. PT100 (medição da temperatura do ar atmosférico que sai);
11. PT100 (medição da temperatura do fluido refrigerado que entra);
12. PT100 (medição da temperatura do fluido refrigerado que sai);
13. PT100 (medição da temperatura do fluido refrigerante que sai);
14. Termopar Tipo J (medição da temperatura do fluido refrigerante que entra).
É possível visualizar, na realidade, como ficou a mini-torre de resfriamento com
serpentina na Figura 3, construída para medição da temperatura em uma troca de calor entre dois
fluidos.
Figura 3 – Mini-torre de resfriamento com serpentina. Bancada experimental pronta e
instrumentada.
A bancada consiste em uma “torre” na qual, em seu interior, há fixado uma serpentina de
cobre pela qual passa o fluido refrigerado (água quente). Na parte superior da torre há um
aspersor de água, uma espécie de “chuveirinho”, responsável por esguichar água fria (fluido
refrigerante). A torre possui nas laterais, próximo a base, aberturas para a entrada de ar, vindo da
atmosfera, que também ajudará na refrigeração do fluido que passa pela serpentina. Este ar é
succionado por dois ventiladores acima da torre, que farão a circulação do ar vindo da atmosfera.
Para a construção da “torre” utilizou-se uma lata metálica. Foi retirada a parte de cima da
lata (tampa), fez-se um furo no lado inferior para escorrer a água que cai do borrifador e ainda
em duas laterais opostas fez-se um corte retangular em cada lado para passagem do ar. Um dos
outros dois lados da lata inalterados foi totalmente aberto para visualização do experimento,
8
sendo fixado ali um pedaço de acrílico. O aspersor (borrifador) de água está fixado na parede de
um tubo circular de PVC com diâmetro próximo ao valor da aresta da lata. O tubo com o
esguicho de água é fixado na lata, sendo vedada com madeira a área da lata a mais (que o
diâmetro do tubo não consegue cobrir). Sobre o tubo, fixado em outro pedaço de madeira são
colocados dois coolers (de CPU) que farão a circulação do ar. Todo o equipamento é revestido,
para fins estéticos, com papel contact.
A serpentina colocada na torre, com tubo de cobre, possui 3,10m de comprimento. A
serpentina foi enrolada na forma de cone, como pode ser visualizado na Figura 4, para que toda
sua área fosse molhada pelos esguichos de água fria, facilitando a troca de calor. A Figura 5
mostra o aspersor de água feito com um “chuveirinho” fixado no tubo de PVC. Os dois
ventiladores, já montados sobre o equipamento, e conectados a uma Fonte de Tensão Alternada
de 12V (do laboratório), aparecem na Figura 6.
Figura 4 – Serpentina de cobre. Local por onde passa o fluido a ser refrigerado. É posicionado
com sua abertura maior para cima, dentro da mini-torre.
Figura 5 – Aspersor (borrifador) de água, uma espécie de chuveirinho para esguichar água fria
(fluido refrigerante), na forma de gotículas sobre a serpentina.
9
Figura 6 – Dois ventiladores, um ao lado do outro (esquerda), sobre o equipamento. Eles devem
succionar o ar atmosférico que entra pelas laterais da mini-torre, e são ligados a uma Fonte de
Tensão Contínua de 12V (direita).
A água quente que passa pelo tubo de cobre (serpentina) vem de um aquecedor elétrico já
instalado nas dependências do laboratório. A vazão de entrada é controlada por uma simples
torneira e foi calculada de forma prática, cronometrando o tempo que levava para encher
determinado volume. A água deve ser resfriada quando de sua passagem por dentro da serpentina
instalada dentro da mini-torre, devido ao contato do tubo de cobre com as gotas de água fria e
com o ar. A água fria é introduzida no experimento sem a medição de sua vazão (controlada
manualmente – esta foi mantida constante em todas as medições), e a mesma provém direto de
uma torneira convencional do laboratório e passa por um cano até chegar ao borrifador, que
espalhará a água em forma de gotas sobre a serpentina. O ar atmosférico entra por duas aberturas
laterais na mini-torre e é elevado pela sucção dos dois ventiladores, posicionados na parte
superior da mini-torre.
A saída dos líquidos se dá, por uma abertura no fundo da lata que constitui a mini-torre
(fluido refrigerante) e, o fluido refrigerado, pela continuação do tubo de cobre que vai
desembocar em uma mangueira. Ambos líquidos não são reaproveitados.
Há a medição da temperatura de entrada e de saída dos três fluidos envolvidos no
processo: fluido refrigerado (água quente), fluido refrigerante (água fria) e ar atmosférico.
Utiliza-se o instrumento PT100 para determinar a temperatura de entrada e de saída da água
quente, de saída da água fria e do ar. A temperatura da água fria que entra na mini-torre é medida
por um equipamento, já instalado no laboratório, que utiliza um Termopar Tipo J e, a
temperatura do ar atmosférico é determinada pelo equipamento utilizado como medidor de
temperatura (Vaisala), Figura 7. Optou-se assim se fazer as medições devido a restrições de
instrumentos que o laboratório dispunha no momento das medições.
Tanto o medidor de temperatura como o equipamento que utiliza o Termopar Tipo J
possuem visualização digital, facilitando a amostragem do valor. Os três PT100 que foram
utilizados na medição da temperatura da água (tanto a fria como a quente) estavam encapsulados
devido a sua utilização no líquido, já o utilizado para o ar não necessitou estar encapsulado. Os
quatro PT100 foram conectados ao equipamento Data Logger HP que realizou a leitura das
temperaturas, e através de uma placa de aquisição de dados e um programa específico (Agilent
Data Logger), estas foram transferidas direto ao computador. As Figuras 8 e 9 mostram o
equipamento Data Logger HP, e a interface gráfica do programa Agilent Data Logger.
10
Figura 7 – Vaisala. Equipamento utilizado para medir a temperatura do ar atmosférico.
Figura 8 – Data Logger HP. Equipamento utilizado no desenvolvimento do trabalho para ler os
dados de resistência dos instrumentos PT 100 e passá-los para uma variação de temperatura.
Figura 9 – Interface gráfica do programa Agilent Data Logger. Possui recursos para salvar os
dados adquiridos durante o tempo e ainda, no momento da aquisição, plota um gráfico em função
do tempo dos diferentes dados que se está adquirindo.
11
VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS
Os resultados obtidos, através da análise das medições de temperatura, foram coerentes
com o que estava previsto para acontecer na bancada experimental da mini-torre de resfriamento
com serpentina. A água quente que entra no tubo de cobre (escolhido por sua grande capacidade
de troca de calor, ou seja, baixa resistência térmica) é resfriada pelas gotículas de água fria que
são aspergidas pelo borrifador e também pelo ar que passa na torre. Como resultado desta troca
de calor se obtém uma água fria na saída um pouco mais quente que quando entrou e o ar da
saída mais quente e úmido.
Todos os equipamentos utilizados apresentam uma faixa de precisão, ou seja, os valores
obtidos não são exatos, estes variam dentro de uma faixa, como já mencionado, porém, como
não se está interessado em retirar um valor numérico representativo, mas sim, em fazer uma
comparação entre diferentes desempenhos, são úteis os valores encontrados sem serem
prejudicados pelas imprecisões que não afetarão em nada os resultados.
12
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
Conforme descrito acima o nosso trabalho não constitui uma torre de resfriamento
convencional nem um trocador de calor, mas sim, uma junção de ambos. Há a presença de três
fluidos que se trocam calor. Conforme a classificação das torres de resfriamento, considerando
apenas o fluido refrigerante e o ar, tem-se uma torre do tipo Mecânica de contato direto com
fluxo contra corrente. Considerando, agora, apenas o tubo de cobre (por onde escoa água quente)
e o exterior (água fria e ar) se terá um trocador de calor do tipo serpentina.
Os fenômenos que ocorrem nesta troca de calor são inúmeros, intensos e complexos
(troca de calor da água quente com o tubo de calor e este com a água fria e com o ar, e também a
água fria trocando calor com o ar e vice-versa), o que dificulta e muito a utilização de qualquer
tipo de equacionamento, optando-se então por uma comparação de desempenhos e observações
dos efeitos.
A fim de comparar os fenômenos que ocorrem nesta troca de calor serão testados vários
casos diferentes: o fluido refrigerado submetido apenas à ação dos ventiladores, depois somente
à ação dos esguichos de água fria e por fim com todos agentes (água fria e ventilador) e ainda
com a variação da vazão do fluido refrigerado.
Alguns dos testes realizados são mostrados nos gráficos das Figuras 10 e 11. Vale
salientar que o tempo zero mostrado no eixo das abscissas de todos os gráficos que seguem não é
no momento da abertura de todas as torneiras, as mesmas já estavam abertas, logo se pode dizer
que este é um tempo arbitrário após a estabilidade do processo. E também é importante deixar
esclarecido que a porção de água quente que foi medida, em determinado tempo, tendo uma
temperatura na entrada da serpentina, na saída, essa mesma porção, estará com uma temperatura
mais baixa, porém nos gráficos que seguem estará representada num tempo após o que está
representado na entrada. Isso decorre do fato de o tempo de medição ser o mesmo para a entrada
e a saída da água, mas não significa que a água que estou medindo na entrada é a mesma porção
de água que estou medindo na saída.
Diferença de Temperatura entre
a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Temperatura [°C]
Vazão: 0,08m³/h (utilizando líquido refrigerante e ventilador)
S aída
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
0
50
E ntrada
100
150
Tempo [s]
200
250
300
Figura 10 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado
(água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,08m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar líquido (água fria) e ventilador.
13
Diferença de Temperatura entre
a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (utilizando líquido refrigerante e ventilador)
Saída
Entrada
35
34
Temperatura [°C]
33
32
31
30
29
28
27
26
25
0
50
100
150
200
250
300
Tempo [s]
Figura 11 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado
(água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar líquido (água fria) e ventilador.
Os gráficos mostram uma constância de variação de temperatura da água quente que entra
e a que sai, ou seja, a diferença de temperatura se mantém constante, a temperatura da saída da
água varia com a temperatura de entrada. A diminuição da temperatura de entrada da água
quente é decorrente da dificuldade que se tem em controlar a temperatura da água que vem do
aquecedor elétrico, de maneira a deixá-la constante. Porém, vê-se um resultado satisfatório uma
vez que é percebida uma variação de temperatura significativa, validando nosso experimento.
O tempo em que a linha de saída do fluido nos gráficos deve ser retardada em
comparação a linha de entrada é, para uma vazão de 0,08m³/h, aproximadamente 7 segundos, e
para a vazão de 0,36m³/h, de 2 segundos. Uma diferença sem importância para os resultados,
mas que deve ser observada.
Outro ponto importante verificado é mudando a vazão do fluido refrigerado. Observa-se
pelos dados que, no momento que a vazão é maior, a diminuição da temperatura no fluido
refrigerado é menor se comparado a diferença de temperatura que se obteve quando da vazão
menor. Isso pode ser explicado ao pensar que alterou a velocidade de escoamento do fluido, já
que a área permaneceu constante, e com uma velocidade menor o líquido permanece mais tempo
em contato com o tubo que está esfriando, podendo também resfriar-se mais. Esse resultado é
observado nas Figuras 9 e 10, onde o primeiro (vazão menor) se obteve ∆t = 7, 77º C e para o
segundo (vazão maior) observa-se ∆t = 2,52º C , uma diferença considerável (os valores de ∆t
são médias).
Os resultados que mais chamam a atenção, são, sem dúvida, as diferenças existentes entre
os casos analisados (com todos os equipamentos para resfriamento ou sem algum deles). Os
gráficos mostrados nas Figuras 12 e 13, abaixo, são para dois casos, um não utilizando o fluido
refrigerante e outro sem a utilização do efeito dos ventiladores, ambos para a mesma vazão.
14
Diferença de Temperatura entre
a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (utilizando apenas líquido refrigerante)
Entrada
Saída
35
34
Temperatura [°C]
33
32
31
30
29
28
27
26
25
0
50
100
150
200
250
300
Tempo [s]
Figura 12 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado
(água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar apenas líquido (água fria).
Diferença de Temperatura entre
a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (utilizando apenas ventilador)
Entrada
Saída
35
34
Temperatura [°C]
33
32
31
30
29
28
27
26
25
0
50
100
150
200
250
300
Tempo [s]
Figura 13 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado
(água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
utilizando para refrigerar apenas os ventiladores.
15
Como era o esperado, é percebido que há uma maior diferença de temperatura existente
na entrada e saída do líquido refrigerado quando submetido apenas a ação do fluido refrigerante
que no caso de ser submetido apenas a ação dos ventiladores, que promovem uma circulação do
ar. Isso vem a mostrar que o ar é um fluido de difícil troca de calor, por isso sistemas de
resfriamento ou escolhem outro fluido como refrigerante ou se não é possível trabalhar com
outro fluido necessitam aumentar a área de transferência do calor (utilização de aletas).
Fazendo a diferença dos resultados que se obteve como média para as variações entre a
temperatura na entrada e saída do fluido refrigerado para os casos das figuras acima (de
resfriamento sem a água fria e resfriamento sem os ventiladores) obteve-se como resposta uma
variação de 2,32ºC.
É possível, para os casos mostrados nas duas figuras anteriores calcular a eficiência de
resfriamento de cada equipamento. Fazendo uso da equação (1) e modificando-a para o quando
se tem dois líquidos como fluidos de trabalho, obteve-se, para o caso de utilização apenas do
líquido refrigerante como equipamento de resfriamento, ε = 25% ; já para o caso da utilização de
apenas os dois ventiladores como meio de resfriamento o resultado foi ε = 12% . Os valores
indicam apenas a superioridade do resfriamento com água do que apenas com o ar.
Este mesmo cálculo não pode ser repetido para quando se têm ambos os instrumentos
(água fria e ventilador) de resfriamento, pois não é conhecida a influência (pesos) da participação
de cada elemento no resfriamento da água quente, não é conhecida a troca de calor latente e
sensível do processo.
Outra medição realizada, mais por curiosidade, não considera nenhum equipamento de
resfriamento, ou seja, a mini-torre ficou submetida apenas a ação do ar atmosférico sem nenhum
aparelho para aumentar sua movimentação. A Figura 14 ilustra esse teste.
Diferença de Temperatura entre
a entrada e saída do Fluido Refrigerado
Vazão: 0,36m³/h (sem utilizar equipamento de resfriamento)
Temperatura [°C]
Saída
Entrada
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
0
50
100
150
200
250
300
Tempo [s]
Figura 14 – Gráfico da variação da temperatura entre a entrada e saída do fluido refrigerado
(água quente) em função do tempo, para uma vazão de 0,36m³/h do fluido refrigerado,
sem utilizar equipamento para resfriamento.
Percebe-se como a variação da temperatura da água quente é mínima, mas existe. Neste
momento há uma circulação do ar por convecção natural, o ar que chega próximo aos tubos é
aquecido ao trocar calor, torna-se menos denso e é elevado pelo ar mais frio que vem de fora. A
diferença entre este caso (sem nenhum sistema de resfriamento) e o caso mostrado anteriormente
16
apenas com os ventiladores em funcionamento mostrou uma diferença pequena o que levanta a
questão da eficiência dos ventiladores.
Obteve-se para este experimento desenvolvido uma faixa máxima de 8,11ºC (valor
correspondente a média de todos os pontos de medição). Este resultado mostra a máxima
diferença de temperatura na entrada e saída do fluido refrigerado.
Para se ter uma idéia de como os demais parâmetros (temperaturas) medidos foram
influenciados no processo onde todos os equipamentos de resfriamento estavam funcionando se
tem que, a temperatura da água fria na entrada era praticamente constante (variação de 1ºC) na
ordem de 16,2ºC, e a mesma saía da torre com temperatura média de 20,7°C. O ar atmosférico
entrava com uma temperatura de 21,6°C e saía com média de 23ºC.
Por estes resultados o ar tem sua temperatura aumentada, o que se conclui é que
predomina o calor trocado com o tubo (serpentina) e não com a água, porém, em condições reais
de operação o esperado é uma redução da temperatura do ar de saída, trocando calor
predominantemente com a água fria. Uma explicação para esse fenômeno seria que a serpentina
não estivesse totalmente molhada, causada pela baixa eficiência do borrifador.
17
CONCLUSÕES
Este trabalho foi muito importante para se ter conhecimento da grande complexidade que
se tem por trás dos fenômenos e processos estudados em sala de aula. As coisas apresentadas em
um quadro de giz são muito mais complicadas do que parecem ser. Afinal, não é tão simples
assim montar um instrumento que venha a representar, mesmo que de forma bem simplificada,
um fenômeno difícil de ser compreendido em sua totalidade. Foi, principalmente, devido a esta
dificuldade que não se apresentou nenhum cálculo referente à troca de calor existente na bancada
experimental construída, uma vez que, para o cálculo, deve-se considerar a influência de todas as
resistências térmicas do sistema que são muitas e complexas de serem determinadas, logo, o
trabalho se voltou para a variação de temperatura que ocorre nos diferentes casos estudados, que
é retirada diretamente dos gráficos.
Com relação aos resultados obtidos dos gráficos, ficaram dentro do esperado, mostrando
como os parâmetros variam em cada processo analisado.
Muitas foram as simplificações feitas para a obtenção de resultado de forma rápida e
barata (objetivos do trabalho), mas verificou-se que essas atribuições em um processo real de
indústria não podem acontecer, pois despenderia muita água, sem nenhuma forma de
reaproveitamento. Logo, utilizar uma bomba de forma a recircular os fluidos refrigerados e
refrigerantes são etapas que devem ser introduzidas numa etapa de continuação do trabalho
realizado. Tentar deixar o experimento mais próximo da realidade, aumentando o tamanho do
equipamento. E também modificar o borrifador, já que foi a causa de um possível erro; ou
mesmo os ventiladores, na tentativa de aumentar a eficiência do sistema. E por fim, conseguir,
mesmo que aproximado, concluir sobre as possíveis trocar térmicas existentes nos diversos
processos existentes dentre de uma mini-torre de resfriamento com trocador de calor.
18
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21
APÊNDICE
APÊNDICE I – Descrição dos equipamentos utilizados
•
AQUECEDOR ELÉTRICO
Instalado no LETA.
A água fria vem de um reservatório situado acima, e é bombeada para o aquecedor
elétrico. O acionamento da bomba e do aquecedor fica localizado em um quadro elétrico onde
ficam os disjuntores.
• VENTILADOR
Foram utilizados 2 ventiladores.
1) Globe Fan (Sleeve Bearing) DC12V, 0,23A.
2) Jamicon DC12V, 0,19A.
• FONTE DE TENSÃO
Montada pelo LETA.
Fonte de Tensão Contínua de 12V.
•
MEDIDOR DE TEMPERATURA (VAISALA)
o Faixa de temperatura: 0 a 60°C.
• PT100
É um sensor de temperatura.
o Sensibilidade pequena (aproximadamente 0,4Ω/ºC);
o Tempo de resposta pequeno;
o Resistência a 0ºC de 100Ω;
o Variação da resistência na gama de 0ºC a 100ºC de 38,5Ω;
o Não tem histerese;
o Grande estabilidade;
o Elevada exatidão;
o Gama dinâmica precisa de -100ºC a 200ºC;
o Sensibilidade ao sobreaquecimento.
• TERMOPAR
Termopar Tipo J
o Elemento Positivo: Ferro (+);
o Elemento Negativo: Constantan (-);
o Faixa de Temperatura usual: 0ºC a 760ºC;
o Precisão: 1,1ºC ou 0,4%.
Características:
Podem ser usados em atmosferas oxidante, redutores, inertes, e no vácuo. Não devem ser
usados em atmosferas sulfurosas e não se recomenda o uso em temperaturas abaixo de zero grau.
Apresenta baixo custo. A escolha de um termopar, para um determinado serviço, deve ser feita
considerando todas as possibilidades variáveis e normas exigidas pelo processo.
Restrições:
i.
Limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 760ºC devido à rápida oxidação
do ferro.
22
ii.
Utilizar tubo de proteção acima de 480ºC.
•
SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS (DATA LOGGER HP)
É um modelo da Agilent 34970A (Data acquisition/switch unit). Ele possui na sua parte
traseira 3 compartimentos ou “gavetas” onde, em cada uma, fica um Multiplexer de 20 canais, no
qual foram conectados os sensores.