UFRGS - UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR E DE UM
MEDIDOR DE VAZÃO PARA O RESFRIAMENTO DE MOSTO DE CERVEJA
por
EDUARDO ANTONIO WINK DE MENEZES
FRANCO TEDESCO DA SILVA
MATEUS KLIEMANN MARCHIORO
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Prof. Paulo Smith Schneider e Prof. Cristiano Frandalozo Maidana
PORTO ALEGRE
2011
EDUARDO ANTONIO WINK DE MENEZES
FRANCO TEDESCO DA SILVA
MATEUS KLIEMANN MARCHIORO
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM TROCADOR DE CALOR E DE UM
MEDIDOR DE VAZÃO PARA O RESFRIAMENTO DE MOCHO DE
CERVEJA
Trabalho
apresentado
ao
Departamento
de
Engenharia
Mecânica da Escola de Engenharia da
universidade Federal do Rio Grande
Do Sul, como parte dos Requisitos
para
conclusão
da
disciplina
Medições Térmicos.
Orientadores: Prof. Paulo Smith Schneider
Cristiano Frandalozo Maidana
Porto Alegre
2011
AGRADECIMENTOS
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DEMEC – EE – UFRGS
ii
Agradecemos ao laboratório de ensaios térmicos e aerodinâmicos (LETA) na figura dos
professores Paulo Schneider e Cristiano Maidana e do técnico João Batista da Rosa pelo apoio
e ensinamentos passados durante a realização deste trabalho.
Agradecemos também ao Grande Amigo Norberto Jorge Antunes Hass pelas
clarificantes elucidações a cerca do tema que desencadearam em importantes contribuições
ao trabalho.
Gostaríamos de agradecer também ao professor Jorge Rodolfo Silva Zabadal pelas
excelentes aulas da disciplina de trocadores de calor, a qual foi de real importância para uma
melhor compreensão do processo.
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iii
“UMA CERVEJA ANTES
DO ALMOÇO É MUITO BOM
PRA FICA PENSANDO MELHOR!”
CHICO SCIENCE
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iv
MENEZES, E.A.W., SILVA, F.T., MARCHIORO, M.K. Projeto e Construção de um trocador de
calor e de um medidor de vazão para o resfriamento de mocho de cerveja. 2011. 18f.
Trabalho de conclusão da disciplina de Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica –
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre, 2011.
RESUMO
Com o intuito de simular o processo de fabricação de uma cervejaria, o ministrante da
disciplina propôs aos discentes, visando à aplicação de conceitos desenvolvidos ao longo da
disciplina de medições térmicas, que desenvolvessem um pasteurizador capaz de resfriar água,
de forma a deixá-la o mais próximo possível da temperatura ambiente, sendo os alunos os
únicos responsáveis pela medição de vazão na saída do mosto de cerveja. Devido às limitações
físicas do Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) e por questões de
segurança, ao invés do fluido ser inserido a uma temperatura próxima aos 100°C como
durante o processo de fabricação da cerveja, foi inserido em média a 54°C, e saiu do trocador
possuindo uma variação de temperatura de aproximadamente 18°C. O medidor de vazão foi
graduado com instrumentos de precisão de forma a medir precisamente o volume de água na
saída do trocador, de onde foi obtida a vazão com o auxílio de um cronômetro.
PALAVRAS-CHAVE: Pasteurizador, trocador de calor, medidor de vazão.
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v
MENEZES, E.A.W., SILVA, F.T., MARCHIORO, M.K. Design and construction of a heat transfer
and a flowmeter to cool beer wort. 2011. 18f. Work completion of the subject Thermal
Measurements from the Mechanical Engineering graduation – Mechanical Engineering
department, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.
ABSTRACT
In order to simulate the manufacturer process of a brewery, the subject’s professor
proposed to his students, watching for the concepts application developed along the semester,
the development of a pasteurizer able to cool water, in order to decrease its temperature as
close as possible from the ambience temperature, being the students solely responsible by
measuring the exit flow from the exchanger. Since the Laboratório de Ensaios Térmicos e
Aerodinâmicos (LETA) has its physical limitations, and also due security factors, instead of the
fluid be inserted at approximately 100°C as during a real beer manufacturing process, it was
inserted at about 54°C, and the fluid left the exchange with an average temperature change of
18°C. The flow meter was calibrated with precision instruments in order to accurately measure
the water volume at the the heat exchanger, from where is possible to obtain the flow with
the aid of a chronometer.
KEYWORDS: Pasteurizer, heat exchanger, flow meter.
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vi
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................II
RESUMO ............................................................................................................................................... V
ABSTRACT ............................................................................................................................................ VI
SUMÁRIO ............................................................................................................................................ VII
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ VIII
ÍNDICE DE TABELAS ...............................................................................................................................IX
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................................. 1
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................................................ 2
3.1. TROCADOR DE CALOR .......................................................................................................................... 2
3.1.1. CÁLCULO DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA MÉDIA LOGARITMICA, ∆Tml ...................................... 3
3.1.2. O COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ................................................................... 4
3.1.3. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PELÍCULA DO ESCOAMENTO............................................................. 6
3.2. MEDIDOR DE VAZÃO ............................................................................................................................ 7
4. METODOLOGIA................................................................................................................................. 7
4.1. PROJETO E CONSTRUÇÃO DO TROCADOR DE CALOR ........................................................................... 7
4.1.1. ANÁLISE TÉRMICA ............................................................................................................................. 8
4.1.2. PROJETO MECÂNICO PRELIMINAR E PROJETO DE FABRICAÇÃO ....................................................... 8
4.2. PROJETO E CONSTRUÇÃO DO MEDIDOR DE VAZÃO ........................................................................... 10
5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO....................................................................................................... 10
5.1. CALIBRAÇÃO DO MEDIDOR DE VAZÃO ............................................................................................... 10
5.1.1. INCERTEZA DE MEDIÇÃO ................................................................................................................. 12
6. RESULTADOS .................................................................................................................................. 13
7. ABORDAGEM ECONÔMICA ............................................................................................................. 16
8. CONCLUSÃO ................................................................................................................................... 17
9. REFERÊNCIAS .................................................................................................................................. 18
APENDICE ............................................................................................................................................ 19
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vii
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1 – TROCADOR DE CALOR DO TIPO CASCO TUBO PROJETADO. .......................................................................... 9
FIGURA 2 - DETALHE DA ÁREA DE TROCA DE CALOR E DOS ESPELHOS E CHICANAS. .......................................................... 9
FIGURA 3 - DETALHE INTERNO DO ESPELHO E CASCA. ................................................................................................ 9
FIGURA 4 - MEDIDOR DE VAZÃO DO TIPO TANQUE AFERIDO ..................................................................................... 10
FIGURA 5 – BALANÇA E RECIPIENTE UTILIZADOS NA MARCAÇÃO DO MEDIDOR. ............................................................ 11
FIGURA 6 – ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO TROCADOR DE CALOR PARA VAZÃO DE 5 L/MIN DE LIQUIDO REFRIGERANTE. ............ 14
FIGURA 7 – ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO TROCADOR DE CALOR PARA VAZÃO DE 6 L/MIN DE LIQUIDO REFRIGERANTE. ............ 14
FIGURA 8 – ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO TROCADOR DE CALOR PARA VAZÃO DE 7 L/MIN DE LIQUIDO REFRIGERANTE. ............ 15
FIGURA 9 – ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO TROCADOR DE CALOR PARA VAZÃO DE 8 L/MIN DE LIQUIDO REFRIGERANTE. ............ 15
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viii
ÍNDICE DE TABELAS
TABELA 1 - FATORES DE DEPOSIÇÃO REPRESENTATIVOS ............................................................................................. 5
TABELA 2 - VALORES REPRESENTATIVOS DO COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR........................................ 5
TABELA 3 - CONSIDERAÇÕES PARA CÁLCULO DA ÁREA DO TROCADOR........................................................................... 8
TABELA 4 – DADOS PARA CÁLCULO DO TROCADOR DE CALOR ..................................................................................... 8
TABELA 5 – MEDIDAS DE TEMPO COM ROTÂMETRO MARCANDO 2 LITROS POR MINUTO ............................................... 11
TABELA 6 – MEDIDAS DE TEMPO COM ROTÂMETRO MARCANDO 4 LITROS POR MINUTO ............................................... 11
TABELA 7 - MEDIDAS DE TEMPO COM ROTÂMETRO MARCANDO 4 LITROS POR MINUTO ................................................ 12
TABELA 8 - MÉDIAS, MEDIANA E ERRO ASSOCIADO ÀS MEDIÇÕES REALIZADAS. ............................................................ 12
TABELA 9 – RESULTADOS COM AJUSTE DE CURVA................................................................................................... 12
TABELA 10 - DADOS DE TEMPERATURA E VAZÃO ADQUIRIDOS NO LABORATÓRIO. ........................................................ 13
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ix
1. INTRODUÇÃO
Trocadores de calor consistem em equipamentos responsáveis por promover a troca
térmica de dois fluídos que possuem diferentes temperaturas. Estes equipamentos possuem a
função útil de aquecer ou esfriar algum tipo de fluido e para isso ambos os fluidos (quente e
frio) circulam em um circuito que facilita de alguma forma a troca de calor entre ambos,
misturando ou não ambos fluidos. São largamente empregados em indústrias em geral,
servindo como um básico componente para muitos processos de engenharia.
É interessante observar que desde os primórdios, 20.000 AC, quando surgiram as
primeiras aldeias na Mesopotâmia, o homem já utilizava um dispositivo de troca de calor, a
panela de cozinhar, E provavelmente o primeiro trocador de calor comercial de uso público foi
proposto por Arquimedes de Siracusa (285 – 212 AC), ao inventar um canhão a vapor.
Arquimedes encheu com água um tubo fechado em uma extremidade, sendo a outra
extremidade vedada com a “bala”. O tubo era então colocado no fogo até que a bala
disparasse. Posteriormente Heron (120 AC) inventou outro trocador, a esfera girante. No Egito
antigo já se destilava vinho para produzir o álcool, mas não há nenhum registro da descrição
do equipamento usado. O uso de trocadores de calor efetivamente “explodiu” com a invenção
da máquina a vapor de James Watt em 1763. Hoje tais equipamentos podem ser encontrados
nos mais diversos ramos industriais, dentre eles a indústria petroquímica, usinas de geração de
energia, refinarias, indústria automobilística, marítima, condicionadores de ar e cervejarias.
Entre as muitas possibilidades para esse tipo de equipamento, os trocadores de casco
e tubo são os mais versáteis devido às vantagens que apresentam tais como fabricação, custo,
e principalmente, desempenho térmico. Neste trabalho, pretende-se construir um trocador de
calor do tipo casco tubo com o objetivo de pasteurizar Mosto de cerveja utilizando a menor
quantidade de fluído refrigerante possível e deixando o mosto o mais próximo possível da
temperatura ambiente. A crescente preocupação da indústria em melhorar seus processos e
minimizar custos, e fazer uso racional de energia serve como motivação em especial para o
estudo deste tipo de componente.
Outro equipamento de notável aplicação industrial é o medidor de vazão, cuja
aplicação começa em residências no consumo de água e vai até a medição de gases e
combustíveis no ramo industrial, sendo, segundo a revista Control Engineering a terceira
grandeza mais medida no mundo. Foi construído um medidor de vazão para fazer as medidas
das vazões que serão utilizadas no trocador para o resfriamento do mosto. Esta medição
ocorre através de um recipiente aferido e de um cronômetro. O conhecimento da vazão é de
fundamental importância para o projeto do trocador, assim como as temperaturas desejadas
no processo.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A construção do trocador de calor teve como base a formulação proposta por Kern, D.
Q., 1950, que apresenta detalhadamente os componentes que constituem um trocador de
calor contracorrente, propondo formas de distribuir os tubos metálicos em seu interior,
alertando para as possíveis vantagens e desvantagens de cada forma. Kern introduz também
formas de calcular a variação de temperatura de tal trocador especificamente para água, fluido
aqui utilizado, fazendo com que os resultados atingidos se tornem mais precisos.
Incropera ET. AL., 2008, também apresenta equações que tornaram possível não só
verificar a temperatura de saída, como também dimensionar o trocador impondo a variação
desejada.
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1
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1. TROCADOR DE CALOR
Qualquer que seja o objetivo do aparelho de troca de calor, os fluidos devem estar em
temperaturas diferentes e o calor trocado passa sempre do fluido mais quente para o fluido
mais frio se não houver trabalho externo, conforme a segunda lei da termodinâmica.
Os aparelhos de troca de calor podem ser classificados sob diversos aspectos:
 Pelo processo de transferência de calor;
 Pelo sentido de escoamento dos fluídos;
 Pelo número de vezes em que um fluido passa pelo outro fluido.
As temperaturas de entrada e saída de um fluido num trocador de calor, chamadas de
temperaturas terminais (nos extremos do trocador), dependem das exigências do processo.
Elas, portanto, são em geral especificadas e vão determinar o valor do potencial térmico (a
força motriz térmica) para promover a troca térmica. É importante especificar, além do valor
nominal desejado, qual a faixa de tolerância dentro da qual o valor pode flutuar sem prejuízos
ao processo, o que se reflete diretamente nos aspectos de operação, instrumentação e
controle do processo.
Por outro lado, se os valores das temperaturas terminais (ou os valores das diferenças
entre elas) forem muito elevados, devem ser seguidas recomendações sobre o assunto: por
exemplo, o uso de materiais de construção mais nobres, o uso de juntas de expansão etc.
A velocidade de escoamento influi em quatro aspectos fundamentais: a eficiência de
troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de sujeira.
Quanto maior a velocidade de escoamento num trocador de calor, maior a
intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de transporte de energia.
Consequentemente, a área do trocador necessária para uma dada carga térmica será menor.
Nesse aspecto é desejável que a velocidade de escoamento seja alta. Um método comumente
empregado para induzir a turbulência constitui na instalação de defletores ao longo do
trocador.
No entanto essa turbulência intensa também implica em um maior atrito e perda de
carga, podendo até ultrapassar os valores máximos admissíveis. Nesse aspecto, não é
desejável uma velocidade de escoamento exagerada.
A necessidade de encontrar a turbulência ideal que aperfeiçoe a eficiência da troca
térmica sem gerar uma perda de carga excessiva torna-se um dos principais objetivos a ser
atingido ao longo do projeto.
Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à erosão e ao
depósito de sólidos. (Uma velocidade muito pequena pode favorecer o depósito de sujeira e a
dificuldade da sua remoção. Por outro lado, uma velocidade exageradamente alta pode
acarretar uma erosão intensa; se o fluido é corrosivo ou contém sólidos em suspensão, o
efeito será mais danoso ainda. Então, novamente, a velocidade de escoamento não pode ser
nem muito alta nem muito baixa. Outro fator que influi na erosão do depósito de sólidos é a
distribuição dos tubos no interior do trocador, sendo tubos distribuídos de forma quadrangular
mais acessíveis a limpeza externa quando comparados com triangulares.
A queda de pressão (ou mais precisamente a variação de energia expressa em altura
manométrica) entre a entrada e a saída é conhecida como a perda de carga num trocador de
calor. Para cada fluido num dado processo, é estipulado um valor de perda de carga máximo
ou perda de carga admissível, por várias razões.
Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional de energia
elevado, devendo portanto ser evitada. Além disso, não se deve esquecer que o trocador de
calor é sempre um componente de uma unidade de processo. O fluido que sai dele muitas
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2
vezes vai ainda passar por tubulações e outros equipamentos adiante, com suas respectivas
perdas de carga; portanto na saída do trocador de calor o fluido precisa ter ainda uma pressão
suficiente para vencer as perdas subseqüentes.
Os problemas de projeto, análise e ou desenvolvimento de um trocador de calor para
uma finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente: problema de
projeto e problema de desempenho. A solução de um problema é facilitada pela adoção do
método mais adequado a ele.
O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e da
determinação das suas dimensões, isto é, da área superficial de transferência de calor,A,
necessária para se atingir a temperatura de saída desejada. A adoção do método da DTML é
facilitada pelo conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quentes e frios,
pois então a LMDT pode ser calculada sem dificuldade.
O método da diferença de temperatura média logarítmica, LMDT, consiste na
aplicação da Equação generalizada de taxa de transferência de calor em um problema
puramente convectivo, mostrado pela Equação 1. Com este equacionamento pode-se estimar
a taxa de transferência de calor global do trocador de calor conhecendo-se o coeficiente global
de transferência térmica, U, a área representativa de troca térmica, A, e a diferença de
temperatura média logarítmica, ∆Tml.
(1)
3.1.1. CÁLCULO DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA MÉDIA LOGARITMICA, ∆
Tml
A diferença de temperatura média logarítmica, LMDT, é um valor de variação de
temperatura que serve para modelar todo o trocador de calor via uma abordagem
simplificativa unidirecional. Esta abordagem permite estimar a taxa de transferência de calor
de um trocador de calor real por meio de um equacionamento algébrico simples.
Para deduzir o cálculo da LMDT parte-se do conceito de taxa de transferência de calor
em um fluido,
(2)
̇
Onde estas temperaturas se referem às temperaturas médias nas localizações dos
índices. Outra forma de calcular esta taxa é considerar
, no entanto
varia com
a posição do trocador.
Aplica-se um balanço de energia em cada um dos elementos diferenciais da Equação
2,
(3)
̇
(4)
̇
Onde, Cq e Cf são, respectivamente, as taxas de capacidade calorífica dos fluidos quente e frio.
As Equações 3 e 4 precisam ser integradas ao longo do comprimento do tubo para se
obter a taxa de transferência de calor global do sistema onde,
(5)
Sabendo
que
pode-se
obter
e
substituindo na Equação 5 temos que,
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3
∫
( )
(
(6)
)∫
Resolvendo esta equação diferencial chega-se na seguinte expressão,
(
)
(
)
(
(7)
)
Assim,
(8)
A temperatura média logarítmica pode ser escrita da seguinte forma,
(9)
Onde {
} para contracorrente e {
} para
fluxo paralelo.
3.1.2. O COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
O coeficiente global de transferência de calor U é definido como o coeficiente de
película global representativo do trocador de calor. Sabendo-se este coeficiente, a área
representativa de troca térmica A e a diferença média logarítmica de temperatura ∆Tml se
pode calcular a taxa de transferência de calor global do trocador de calor através da Equação
10.
(10)
Para o caso do trocador de casco tubo o cálculo do coeficiente global de transferência
de calor é feito usando-se o conceito de resistências térmicas que é uma simplificação
unidimensional do problema de transferência de calor real. Nota-se nesta abordagem, porém,
o calor trocado entre o fluido mais externo, normalmente o fluido frio, e o meio não é
considerado.
Com base nesta simplificação pode-se escrever o coeficiente global de transferência
de calor como apresentado na Equação 11.
(11)
Onde hi é o coeficiente de película do escoamento interno do tubo interno e k é a
condutividade térmica do material do tubo.
É normal que durante o funcionamento o trocador de calor sofra deposição de impurezas e formação de produtos
impurezas e formação de produtos oriundos de corrosão, desta forma deve-se acrescentar dois termos resistivos
dois termos resistivos na resistência global do trocador, um referente ao escoamento interno e outro ao
outro ao escoamento externo ao tubo interno. Sabendo-se disto recalcula-se um novo coeficiente global, Unovo,
coeficiente global, Unovo, considerando-se estas resistências térmicas adicionais, conhecidas por fator de
por fator de deposição, Rd, que para alguns casos pode ser encontrado em tabelas, como a
Tabela 11 transcrita abaixo.
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4
Tabela 1 - Fatores de deposição representativos
Fluido
o
Água do mar e água de alimentação tratada para caldeira (abaixo de 50 C)
o
Água do mar e água de alimentação tratada para caldeira (acima de 50 C)
o
Água de rio (abaixo de 50 C)
Óleo combustível
Líquidos de refrigeração
Vapor d’água (sem arraste de óleo)
2
Rd (m ·K/W)
0,0001
0.0002
0,0002 – 0,001
0.0009
0,0002
0,001
(12)
Onde Rdi e Rde são, respectivamente, os fatores de deposição do escoamento interno e
externo e U0 é o coeficiente global de transferência de calor para a condição de projeto que
pode ser determinada pelas Equações 11 e 12 ou aproximando-se o valor por meio de tabelas
para alguns casos, como na Tabela 22.
Tabela 2 - Valores representativos do coeficiente global de transferência de calor
Fluidos envolvidos
Fluido Quente
Fluido Frio
Água
Água
Amônia
Água
Gases
Água
Orgânicos leves*
Água
Orgânicos pesados**
Água
Vapor d’água
Água
Vapor d’água
Amônia
Vapor d’água
Gases
Vapor d’água
Orgânicos leves*
Vapor d’água
Orgânicos pesados**
Orgânicos leves*
Orgânicos leves *
Orgânicos pesados**
Orgânicos pesados **
Orgânicos leves *
Orgânicos pesados**
Orgânicos pesados **
Orgânicos leves *
*(μ< 0,0005 Kg/s·m)
2
Uo (W/(m · K)
1000 - 2500
1000 – 2500
10 – 250
370 – 730
25 – 370
1000 – 3500
1000 – 3500
25 – 250
500 – 1000
30 – 300
200 – 400
50 – 200
50 – 200
150 – 300
** (μ>0,001 Kg/s·m)
Quando se quer maior precisão na determinação do Uo, utilizam-se os coeficientes de
película, h, presentes no equacionamento proposto. Como h não é uma propriedade
termodinâmica dos fluidos, este deve ser determinado via formulação empírica disponível na
literatura. Em muitos casos o valor de Uo é controlado por apenas um dos coeficientes de
transferência de calor por convecção, h, uma vez que para estes casos a resistência térmica de
condução é pequena comparada com as resistências de convecção. Desta forma, se um valor
de h for significantemente menor que o outro valor, a tendência é que o h maior seja
dominante na equação de Uo, podendo ser escrito como,
(no caso de hi ser dominante)
(13)
(no caso de he ser dominante)
(14)
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5
3.1.3. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE PELÍCULA DO ESCOAMENTO
O coeficiente de película h é definido como o coeficiente que permite o cálculo da taxa
de calor unidimensional em um problema convectivo sabendo-se, apenas, a área de troca
térmica, A, a temperatura da superfície ts, e a temperatura do ambiente ou do escoamento, t∞,
que está livre da influência da temperatura da superfície.
(15)
O coeficiente h não é uma propriedade termodinâmica do fluido, ou seja, qualquer
alteração de temperaturas, de área de troca e até de posicionamento espacial da área de troca
alteram o comportamento do coeficiente de película. Sendo assim é comum se utilizar um
número adimensional que permita correlacionar localmente h com uma propriedade
termodinâmica do fluido chamada condutividade térmica, k, e um comprimento característico
do escoamento, que neste caso é o diâmetro nominal do tubo interno. Este número é
chamado de número de Nusselt local e é expresso pela Equação 16. Este é dito local por
apresentar valores distintos ao longo do comprimento do duto interno.
(16)
O número de Nusselt local, NuD,x, é obtido através de correlações empíricas
disponíveis na literatura onde o tipo de escoamento, externo, interno e particularidades
geométricas, o regime do escoamento, laminar ou turbulento, são levados em conta na
escolha da correlação correta.
Para se determinar, porém, o h referente ao escoamento em questão, necessita-se de
um valor médio de coeficiente de película que seja representativo para todo o tubo. Assim
define-se também um número de Nusselt médio, que é definido como o adimensional
representativo para todo o comprimento do duto, L.
(17)
As correlações para o cálculo do número de Nusselt são funções empíricas
dependentes do fator de atrito de Moody, f, obtido via diagrama de Moody, do número de
Reynolds, ReD, adotando-se o diâmetro como comprimento característico e o número
adimensional de Prandtl, Pr, que é obtido em tabelas de propriedades termofísicas dos
materiais e depende apenas da temperatura, t∞. Como se pode perceber o cálculo de h do
problema de troca térmica requererá um cálculo numérico iterativo e mesmo assim, não será
o valor exato; apresentará um erro de exatidão associado à correlação empregada.
Um exemplo de correlação para o número de Nusselt é a correlação de Gnielinski
1976, que é uma das mais utilizadas e é expressa como,
⁄
⁄
⁄
⁄
(18)
Esta correlação, porém, apresentam restrições na sua aplicação, estas são:
 Escoamento Turbulento plenamente desenvolvido;

;

;
⁄

;
 Propriedades calculadas a temperatura média obtida pela média das temperaturas de
⁄ .
entrada e saída ̅
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3.2. MEDIDOR DE VAZÃO
Sendo considerado medidor de vazão todo dispositivo que de forma direta ou indireta
é capaz de mensurar a relação entre o volume escoado por unidade de tempo, pode-se afirmar
que a vazão é a terceira grandeza mais medida industrialmente, sendo sua medição aplicável
tanto em residências para controlar o consumo de água quanto industrialmente para avaliar a
vazão de gases e combustíveis. O princípio dos medidores de vazão nasceu de observações
feitas por Leonardo da Vinci ao observar o escoamento em rios. Ele notou que mesmo em
diferentes pontos ao longo do rio, não importando a variação na largura e profundidade do
mesmo, a grandeza posteriormente nomeada de vazão se manteria constante ao longo do
percurso. No entanto medidores de vazão foram efetivamente construídos somente quando
surgiu a necessidade de seu uso na era industrial, principalmente através de trabalhos de
Bernoulli e Pitot.
Matematicamente a vazão pode ser expressa pela Equação 19.
(19)
Onde Q representa a vazão em m3/s (S.I.), V o volume e t o tempo.
Em medidores é importante considerar a dissipação de energia por unidade de peso
do fluído, ocasionada principalmente devido ao atrito entre o fluido e as paredes do tubo,
doravante chamada de perda de carga, cujo coeficiente de perda pode ser calculado através
da fórmula universal de Darcy Weisbach.
(20)
Onde hf é a perda de carga distribuída (diferença entre carga inicial e final), g é a
gravidade, L o comprimento do tubo, D o diâmetro, e V a velocidade média do fluido.
Em tubos retilíneos, de seção e velocidade constante, o princípio de Bernoulli permite
que a perda de carga seja quantificada da seguinte forma:
(21)
Onde y1 e y2 representam as alturas inicial e final em relação à direção de atuação da
gravidade, respectivamente, ρ a densidade do fluido e P1 e P2 as pressões ao longo da
corrente.
A dissipação de energia torna necessária uma calibração antes que qualquer medidor
possa ser usado, e devido às diferenças entre viscosidade e densidade entre diferentes fluidos
o medidor necessitará de nova calibração quando alterado fluido escoando em seu interior.
4. METODOLOGIA
4.1. PROJETO E CONSTRUÇÃO DO TROCADOR DE CALOR
Tendo em vista que o trocador a ser projetado será utilizado na pasteurização de
cerveja, o modelo escolhido de trocador foi o casco tubo devido ao seu potencial quanto a
troca de calor e certa facilidade de construção. Também se pode dizer que a sua facilidade de
limpeza visto que o mesmo deverá sofrer seguidas intervenções graças aos cereais que podem
incrustar o aparelho diminuindo assim seu rendimento de troca de calor pode ser um motivo
para escolha desse tipo de trocador.
O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes
principais:
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7
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 Análise Térmica - se preocupa, principalmente, com a determinação da área necessária
à transferência de calor para dadas condições de temperaturas e escoamentos dos
fluidos.
 Projeto Mecânico Preliminar – envolve considerações sobre as temperaturas e
pressões de operação, as características de corrosão de um ou de ambos os fluidos, as
expansões térmicas relativas e tensões térmicas e, a relação de troca de calor.
 Projeto de Fabricação – requer a translação das características físicas e dimensões em
uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo (seleção dos materiais, selos,
invólucros e arranjo mecânico ótimos), e os procedimentos na fabricação devem ser
especificados.
4.1.1. ANÁLISE TÉRMICA
Para encontrar a área necessária para o trocador de calor foram feitas as seguintes
considerações, apresentadas na Tabela 03 quanto a temperaturas e vazões do fluído
refrigerante e do mosto de cerveja.
Tabela 3 - Considerações para cálculo da área do Trocador.
Temperatura de entrada mosto (°C)
60
Temperatura de saída mosto (°C)
40
Vazão (l/min)
3
Temperatura de entrada
refrigerante (°C)
Temperatura de saída
refrigerante (°C)
Vazão (l/min)
25
30
8
Utilizando o método da Temperatura Média Logarítmica, apresentado na seção 3.1.1
da Fundamentação Teórica os dados encontrados para o trocador de calor são apresentados
na Tabela 04.
Tabela 4 – Dados para cálculo do trocador de calor
Transferência de Calor
necessária no trocador de
calor (W)
4131.423
Coeficiente de Convecção
(W/m²K)
7346.188
Reinolds
10510.792
Coeficiente Global de
Transferência de Calor
(W/m²K)
379.3447
Fator de Atrito
0.0312
Nusselt
77.914
Temperatura Média Logaritmica (°C)
21.64043
Com esses dados a disposição utilizando a equação 10 apresentada anteriormente
encontra-se que o trocador de calor deve ter 22 metros de comprimento.
4.1.2. PROJETO MECÂNICO PRELIMINAR E PROJETO DE FABRICAÇÃO
De posse dos dados de área e tendo escolhido o modelo de trocador de calor que iria
se construir casco tubo, iniciou-se a modelagem do pasteurizador no software Solidworks
visando facilitar a construção do modelo. O projeto do trocador de calor encontra-se no
Apêndice I desde trabalho com todas as dimensões e materiais das peças utilizadas na
construção do protótipo real, visando sempre à ajuda na construção do modelo, evitando
assim problemas construtivos como interferências, incompatibilidades geométricas e também
facilitar a construção de segundas gerações deste modelo.
Por motivos econômicos e de transporte foi construído um trocador de calor de 600
mm de comprimento. O comprimento útil de troca de calor é de 6.5 metros e está dividido em
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8
13 passagens. Foram colocadas chicanas ao longo dos trocadores, para causarem turbulência e
assim melhorar a troca entre os tubos. O material utilizado para troca térmica foi cobre, um
ótimo condutor de calor. O diâmetro nominal dos 13 tubos de cobre é 7 mm e da casca é 70
mm. O material utilizado na casca e conexões é PVC. Uma imagem do modelo
computadorizado é apresentada na Figura 1 e algumas imagens da construção são
apresentadas nas Figuras 2 e 3.
Figura 1 – Trocador de calor do tipo casco tubo projetado.
Figura 2 - Detalhe da Área de Troca de calor e dos espelhos e chicanas.
Figura 3 - Detalhe interno do espelho e casca.
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9
4.2. PROJETO E CONSTRUÇÃO DO MEDIDOR DE VAZÃO
Após o fluido quente e frio deixarem as extremidades do trocador será necessário
medir a vazão com a qual os fluidos deixam o equipamento.
Com o auxílio de um cronômetro digital e um tanque aferido será avaliada a vazão
analisando a quantidade de líquido a deixar o trocador em certo intervalo de tempo, Δt, a ser
mensurado pelo cronômetro. A razão entre o volume de líquido armazenado no tanque
aferido e o tempo resultará na vazão.
O tanque aferido, Figura 4, será um cano de PVC de 100 mm diâmetro. Devido ao fato
do cano não ser transparente, a medição no interior do mesmo é inviável. Para solucionar tal
problema foi utilizada o conhecimento de vasos comunicantes e foi acoplado ao tanque um
nível paralela ao mesmo, cujo diâmetro é de 5/6”, que possibilita a leitura fácil e direta do
volume acumulado no tanque. Para não distorcer a leitura do volume, a entrada de fluído no
medidor de vazão ocorre através de um cano interior que conduz o fluído até o fundo do
tanque, evitando dessa maneira turbulências e oscilações na leitura, tornando esta mais
precisa e exata, que mesmo dessa maneira existe um erro aleatório de paralaxe sempre
associado.
O medidor conta também com uma válvula acoplada ao tubo em PVC, de forma que o
fluxo de saída possa ser facilmente obstruído e a medição efetivamente realizada.
Figura 4 - Medidor de vazão do tipo tanque aferido
5. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO
5.1. CALIBRAÇÃO DO MEDIDOR DE VAZÃO
Para calibrar o medidor de vazão foram utilizados um recipiente aferido e uma balança
disponibilizada pelo laboratório de Mecânica aplicada experimental. Iniciou-se a calibração do
medidor de vazão fazendo a medição do peso do recipiente aferido e dessa maneira zerando a
balança. Após despejou-se uma quantidade de água aleatória dentro do medidor de vazão
para que fosse marcado um nível zero, onde será iniciada a medição do tempo. Após essa
etapa foram adicionados 500g de água a temperatura ambiente e foi feita uma marcação ao
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10
lado da escala Foram colocadas 8 medidas de 500 g totalizando 4 kg. Considerando a
densidade da água igual a 1000 kg/m³ e que 1 litro é igual a 1 dcm³ considerou-se essa
marcação como sendo 4 litros marcados de 500 em 500 ml. Dessa maneira poderão ser
realizadas diversas tomadas de tempo das quais serão tiradas as médias para a medição de
vazão.
Após essas calibração de capacidade do instrumento de vazão utilizou-se o Rotâmetro
disponibilizado pelo LETA para o instrumento passar por uma nova calibração. Desta maneira
foram realizadas as tomadas de tempo apresentadas na Tabela 5, 6 e 7.
Figura 5 – Balança e recipiente utilizados na marcação do Medidor.
Tabela 5 – Medidas de Tempo com Rotâmetro marcando 2 litros por minuto
Marcação medidor
de vazão
Vazão rotâmetro 2 litros por minuto
Medição Medição
Medição 1
Medição 2
2 (s)
3 (s)
(l/min)
(l/min)
21.7
22
1.428
1.382
0.5
Medição
1 (s)
21
Medição 3
(m/min)
1.363
1
44.4
45.7
46
1.351
1.31
1.304
1.5
67.1
67.7
68
1.341
1.329
1.323
2
91.3
91.1
91.5
1.314
1.317
1.311
Tabela 6 – Medidas de Tempo com Rotâmetro marcando 4 litros por minuto
Marcação medidor
de vazão
Vazão rotâmetro 4 litros por minuto
Medição
Medição 1
Medição 2
3 (s)
(l/min)
(l/min)
8.9
3.529
3.296
0.5
Medição
1 (s)
8.5
Medição
2 (s)
9.1
1
18.6
19.1
18.5
3.225
1.5
27.2
28.2
28.1
2
36.2
37.9
37.4
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Medição 3
(m/min)
3.370
3.141
3.243
3.308
3.191
3.202
3.314
3.1662
3.208
11
Tabela 7 - Medidas de Tempo com Rotâmetro marcando 4 litros por minuto
Marcação medidor
de vazão
Vazão rotâmetro 6 litros por minuto
Medição
Medição 1
Medição 2
3 (s)
(l/min)
(l/min)
5.2
5.769
5.454
0.5
Medição
1 (s)
5.2
Medição
2 (s)
5.5
Medição 3
(m/min)
5.769
1
10.8
11.3
11.4
5.555
5.309
5.263
1.5
16.5
16.8
17.2
5.454
5.357
5.232
2
22.5
22.7
22.9
5.333
5.286
5.240
Realizando um trabalho em cima das mensurações feitas calculando médias, medianas
e erros chega-se aos resultados apresentados na Tabela 8.
Tabela 8 - Médias, Mediana e erro associado às medições realizadas.
Vazão Rotâmetro
(l/min)
Média Medição 1
(l/min)
Média Medição 2
(l/min)
Média Medição 3
(l/min)
Mediana (l/min)
Erro da Medição
Vazão Rotâmetro
(l/min)
Média Medição 1
(l/min)
Média Medição 2
(l/min)
Média Medição 3
(l/min)
Mediana (l/min)
Erro da Medição
2.00
1.36
1.34
1.33
1.34
33.00%
Vazão Rotâmetro
(l/min)
Média Medição 1
(l/min)
Média Medição 2
(l/min)
Média Medição 3
(l/min)
Mediana (l/min)
Erro da Medição
4.000
3.345
3.199
3.256
3.267
18.33%
6.000
5.528
5.352
5.376
5.419
9.69%
Com erros variando entre 9.69% e 33% foi necessário realizar um ajuste de curva para
encontrar um polinômio que ajustasse as medições realizadas com os valores reais de vazão
determinados pelo rotâmetro. Dessa maneira com a ajuda do software Excel e a ferramenta de
ajuste de curva com pontos foi encontrado o polinômio, Equação 22, para a realização da
calibração no instrumento de medição construído
(22)
Utilizando a equação 22 para correção das vazões já mensuradas encontramos os
resultados apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 – Resultados com ajuste de curva
Vazão Rotâmetro (l/min)
2
4
6
Mediana (l/min)
1.340047394
3.266681049
Vazão Ajustada pelo
Polinômio (l/min)
2.000036416
4.006385774
Erro
-0.00182%
-0.15964%
5.418796085
6.007030492
0.11717%
Dessa maneira o medidor de vazão fica calibrado para a faixa de vazões que irá se
utilizar no trocador de calor.
5.1.1. INCERTEZA DE MEDIÇÃO
Para pequenas amostras, como no presente caso, a incerteza de medição é dada por:
̅
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√
(23)
12
Onde n é o número de amostras, t é um parâmetro a ser retirado da tabela t-Student,
baseado nos graus de liberdade expressos por n-1 e s é o desvio padrão obtido a partir das
diferenças dos valores das amostras em relação à média.
Utilizando esse método chegamos a uma incerteza máxima de ±0,2217 l/min com
uma confiabilidade de 95%. Incertezas associadas ao cronometro, ao cronometrista e a
calibração do volume do medidor já estão contidas nesta incerteza.
Tendo sido nosso medidor de vazão calibrado através do rotâmetro disponível no
laboratório de ensaios térmicos e aerodinâmicos está se torna a incerteza principal do
instrumento de medição. Consultando manuais deste tipo de aparelho encontrou-se a
incerteza como sendo de 2% do fundo de escala.
Sendo assim a incerteza do instrumento de medição de vazão é de ±0.4617 l/min. Vale
ressaltar que essa incerteza é para faixas de vazões de 2, 4 e 6 l/min, pois o trocador tem sua
maior eficiência dentro desta faixa, como será apresentado a seguir no trabalho. Sendo assim,
esperam-se incertezas maiores para vazões fora deste range devido aos pontos usados para
ajuste da curva.
6. RESULTADOS
Tendo em vista que se busca a máxima eficiência levou-se o pasteurizador, para a
bancada de testes do laboratório, LETA, para efetuar essas mensurações de temperatura e
vazão.
A metodologia utilizada para aquisição de dados foi fixar uma vazão de fluído
refrigerante e variar a vazão de fluído refrigerado. Assim quando as temperaturas entrassem
em regime estacionário os dados eram colhidos. Desta maneira foram colhidos os dados e
apresentados na Tabela 10 para as vazões de 5, 6, 7 e 8 litros por minuto para líquido
refrigerante. Para vazões menores que 5 e maior que 8 l/min não se obtiveram bons
resultados e não serão apresentadas no trabalho.
Tabela 10 - Dados de temperatura e vazão adquiridos no Laboratório.
Fluído refrigerante
Temperaturas
Entrada
Saída de
de água
água (°C)
(°C)
25.74
30.89
Medição
Vazão
(l/min)
1
5
2
5
25.82
3
5
4
Fluído refrigerado
Temperaturas
∆ Tf
(°C)
Vazão
(l/min)
Entrada de
água (°C)
Saída de
água (°C)
∆ Tq
(°C)
5.15
1.5
52.85
37.01
15.84
31.78
5.96
2
53.34
40.79
12.55
25.83
31.64
5.81
2.5
51.86
41.05
10.81
6
25.70
29.56
3.86
1.5
51.95
36.42
15.53
5
6
25.68
30.04
4.36
2
52.25
38.7
13.55
6
6
25.76
29.96
4.2
2.5
51.50
38.84
12.66
7
6
25.73
29.77
4.04
3
47.95
40.58
7.37
8
7
25.71
29.32
3.61
2
51.54
37.99
13.55
9
7
25.70
29.25
3.55
2.5
50.03
38.14
11.89
10
7
25.79
29.54
3.75
3
49.30
40.89
8.41
11
8
15.63
28.66
13.03
2
50.30
37.73
12.57
12
8
26.60
28.25
1.65
2.5
48.28
37.28
11
13
8
25.69
29.11
3.42
3
47.84
39.76
8.08
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13
Visando a maior variação de temperatura de fluido refrigerado com a menor vazão de
fluído refrigerante, utilizou-se como critério de eficiência do aparelho a razão entre essas
grandezas, como apresentado na equação 23. Além disso, normalizaram-se estes valores
tomando como referência o maior valor obtido entre a razão nos testes.
Outro critério utilizado para análise dos dados foi relação de vazão de fluído
refrigerante e fluído refrigerado, Equação 24. Este critério foi normalizada da mesma maneira
utilizada na eficiência, em função da maior razão encontrada no teste. Com este critério
buscava-se uma boa relação entre as vazões do trocador.
(23)
(24)
Utilizando os critérios apresentados e que ajudarão a analisar a melhor relação para
variação de temperaturas e vazões construiu-se os gráficos, apresentados a seguir nas Figuras
07, 08, 09 e 10 da eficiência pela vazão de fluído refrigerado para cada vazão de fluído
refrigerante.
VAZÃO DE 5 (l/min) DE LÍQUIDO REFRIGERANTE
1.00
0.90
0.80
EFICIÊNCIA
0.70
EFICIÊNCIA
0.60
0.50
VAZÃO
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1.5
2
VAZÃO DE REFRIGERADO (l/min)
2.5
Figura 6 – Análise da eficiência do trocador de calor para vazão de 5 l/min de liquido refrigerante.
EFICIÊNCIA
VAZÃO DE 6 (l/min) DE FLUÍDO REFRIGERANTE
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
EFICIÊNCIA
VAZÃO
1.5
2
2.5
VAZÃO DE REFRIGERADO (l/min)
3
Figura 7 – Análise da eficiência do trocador de calor para vazão de 6 l/min de liquido refrigerante.
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14
1.00
VAZÃO DE 7 (l/min) DE FLUÍDO REFRIGERANTE
0.90
0.80
EFICIÊNCIA
0.70
EFICIÊNCIA
0.60
0.50
VAZÃO
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
2
2.5
VAZÃO DE REFRIGERADO (l/min)
3
Figura 8 – Análise da eficiência do trocador de calor para vazão de 7 l/min de liquido refrigerante.
VAZÃO DE 8 (l/min) DE FLUIDO REFRIGERANTE
1.00
EFICIÊNCIA
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
EFICIÊNCIA
VAZÃO
2
2.5
VAZÃO DE REFRIGERADO (l/min)
3
Figura 9 – Análise da eficiência do trocador de calor para vazão de 8 l/min de liquido refrigerante.
Como se pode perceber não se consegue ter uma boa razão de vazão com uma boa
relação de eficiência. Quando se tem uma ótima razão de vazão tem-se pouca troca de calor.
De antemão o mesmo ocorre quando temos uma boa variação na temperatura temos uma
pequena razão de vazões.
Também se consegue notar nos gráficos apresentado a diminuição da eficiência do
trocador com o aumento da vazão de fluído refrigerante. Uma das causas que podem levar o
trocador a ter essa característica é a pouca perda de carga nele e também seu comprimento
sendo inferior ao valor obtido na modelagem matemática apresentada anteriormente na
seção 4.1.1. Deste modo aumentando-se a perda de carga com válvulas reguladoras de vazão
nas saídas do trocador devem ajudar a obter coeficientes melhores no processo de troca
térmica.
Outro detalhe importante que o critério adotado para avaliação dos resultados
consegue transmitir é a intersecção das duas curvas. Este é o ponto de ótimo rendimento para
cada uma das vazões de refrigerante testadas. Percebe-se que para o trocador construído a
melhor vazão que se pode ter de fluído refrigerado é em torno de 2 l/min.
Da utilização desses critérios pode-se dizer que com uma vazão de 5:2 tem-se os
melhores resultados de eficiência para o trocador. Porém pode se ter ótimos resultados com
ENG03108 – Medições Térmicas
15
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uma razão de 6:2.5, assim aumentando a produtividade do equipamento. Para as outras
medidas como de 7 e 8 l/min, percebe-se uma grande perda de eficiência do equipamento.
7. ABORDAGEM ECONÔMICA
Além de visar uma alta eficiência e precisão, o trocador e medidor aqui construídos
também tiveram como objetivo buscar um equilíbrio com o custo. Por exemplo, se o
comprimento do trocador fosse duplicado, o gasto com tubos de cobre que representam em
torno de 40% do custo total seria praticamente dobrado. Obviamente é possível construir um
trocador de calor contracorrente tão longo cuja temperatura de saída do líquido quente fosse
equivalente à temperatura de entrada do líquido frio, como o presente trabalho busca apenas
objetivos didáticos como a familiarização com instrumentos de medição, a construção de tal
trocador desviar-se-ia do foco do trabalho.
Os tubos de PVC para esgoto e água fria usados no trocador e medidor de vazão
constituem menos de 20% do custo total, mas não são recomendáveis para temperaturas
superiores a 45°C, sendo necessários tubos de CPVC, cujo custo é consideravelmente mais
elevado. Como no presente caso os tubos não estarão expostos ao sol e não é exigida uma
vida útil longa por parte dos equipamentos os tubos de PVC foram considerados aptos para
exercerem suas funções. Outras peças do mesmo material têm valores irrisórios perto do valor
geral do equipamento, como os adaptadores de água fria empregados no medidor e trocador
para encaixe na bancada do laboratório.
Para a união do cobre com o nylon dos defletores foi necessário o uso de colas à base
de epóxi, cujo valor representa aproximadamente 20% do custo total. Outros materiais
utilizados para união como silicone e cola de PVC tem um preço muito baixo mas devem ser
levadas em conta.
O custo total do trocador de calor foi de R$157,40, enquanto o medidor custou
R$29,15 (menos de 20% em relação ao valor do trocador), totalizando R$186,55, valor este
considerável viável pelo grupo.
Isto que não se levam em conta o custo hora homem de projeto, nem o custo de mão
e obra e nem o custo de transporte do material comprado. Estes representariam a maior parte
do valor dos protótipos e são diluídos na fabricação dos seguintes equipamentos.
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16
8. CONCLUSÃO
O método utilizado para o dimensionamento do trocador de calor, diferença de
temperatura média logarítmica, LMDT, consiste em se utilizar uma aproximação unidirecional
do problema de transferência de calor real para se estimar a taxa de transferência de calor
global do trocador. O inconveniente neste método é o fato de necessitar cálculos iterativos
que ficam mais complexos de se resolver à medida que se deseja resultados mais confiáveis.
O método em questão apresenta simplificações tais que podem chegar a erros de
projeto muito grandes dependendo da aplicação, uma vez que não se considera a variação de
propriedades dos fluidos, como a condutividade térmica, com o avanço dos escoamentos. A
presença de erros associados a particularidades geométricas e de funcionamento também
podem contribuir na perda de exatidão para estes cálculos. Por isso na etapa de projeto ou
dimensionamento de um trocador de calor casco tubo deve-se ter ciência de que estas
metodologias apresentam erros e, se for o caso de necessitar resultados mais exatos, deve-se
recorrer a outras abordagens que pode ser tanto experimental como no caso do trabalho
apresentado quanto através de modelos computacionais confiáveis.
A construção do trocador de calor junto com o método utilizado para
dimensionamento e testes experimentais acrescentou muito na formação dos alunos que
realizaram o trabalho dando confiança para utilização destes para futuros trabalhos de
dimensionamento e funcionamento de um trocador de calor, que até o momento eram apenas
didáticos e agora foram colocados em prova desenvolvendo assim um conhecimento distinto
frente ao obtido até então.
Além do mais, percebe-se que o custo do trocador de calor que exige materiais com
altas qualidades térmicas, quanto à condução, e resistência mecânica, quanto à dilatação que
o equipamento sofre, é alto e que com orçamentos mais elásticos um trocador de calor com
maior eficiência poderia ser montado.
Já para a medição de vazão percebe-se a facilidade de construção de instrumentos
para essa finalidade. O instrumento em questão, tanque aferido, apresentou um baixo custo,
R$29,15 e facilidade de fabricação, objetivos traçados como meta durante o projeto, já que os
custos com o trocador foram considerados altos. Desde que o instrumento seja calibrado
corretamente pode ser utilizado para medições de vazão obtendo baixas incertezas quanto à
medição.
Como sugestão para futuros trabalhos, a simulação computacional poderia ser
realizada já que o trocador fora construído e testado numa bancada de laboratório tendo
informações suficientes para sua validação, ponto muito importante dentro nesse tipo de
trabalho.
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9. REFERÊNCIAS
Bejan, A, Transferência de Calor. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, 1998.
Holman, J.P., Transferência de Calor. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil Ltda., 1983.
Incropera ET. AL., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6ª Edição, 2008.
Kern, D. Q., Process Heat Transfer, International Student Edition, 1950.
Schneider, P. S., Medição de Velocidade e Vazão de Fluído. Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.
Schneider, P. S., Incerteza de Medição e Ajuste de Dados. Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.
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APENDICE
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FOLHA DE AVALIAÇÃO DO CONCURSO
Nome dos alunos:
Eduardo Antonio Wink de Meneses
Franco Tedesco da Silva
Mateus Kliemann Marchioro
Identificação do grupo (letra):______
Dados do ensaio
Data:________________
Temperatura ambiente Tamb:__________________°C
Trocador de calor:
( ) Corrente Paralelo;
( X ) Contra Corrente
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