UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE UM TROCADOR
DE CALOR PARA RESFRIAMENTO DE MOSTO DE
CERVEJA
por
Carolina Rekowsky Lopes
Fábio de Amorim Marcello
Rodrigo Argenta
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Dezembro de 2011
RESUMO
No presente trabalho é desenvolvido um trocador de calor do tipo casco e tubos
responsável pelo resfriamento do mosto de cerveja onde, para fins experimentais, foi
utilizado água quente e água fria. Após comparação entre a temperatura de saída e a de
entrada do líquido quente, verificou-se uma pequena redução na sua temperatura, em
torno de 10°C, baixa eficiência (24,4%), devido à pequena quantidade de tubos
utilizados e à disposição dos mesmos, que reduziu a área de contato do dispositivo.
Além do trocador, foi criado um medidor de vazão de tanque aferido, de baixo custo,
fácil fabricação e utilização e com boa precisão. Para a correta medição da vazão, o
medidor foi calibrado por intermédio de medições experimentais em bancada, nas quais se
determinou a vazão obtida e os erros embutidos. Os resultados de vazão medidos, após
calibração do experimento, são comparados com os valores reais de referência medidos pelo
rotâmetro empregado na calibração, verificando-se baixos erros de medição para vazões
maiores que 5 L/min.
PALAVRAS-CHAVE: Pasteurizador, Cerveja, Eficiência, Medidor de vazão.
i
ABSTRACT
In this paper, we develop a heat exchanger responsible for cooling the beer wort. We
use experimentally hot and cold water. After comparing the input and output
temperature of the hot liquid, we detect a small reduction in its temperature, 10°C, low
efficiency (24,4%), due to the small number of tubes used and the arrangement of
it, which reduce the device contact area. In addition to the heat exchanger, we
create a flow meter calibrated tank, since it has a easy design. For the correct flow
measurement, the flow meter was calibrated by experimental measurements on a bench.
which it determined the through put obtained and the error. The flow results,
after experiment calibration, are compared with the actual values measured by
the reference flow meter used in the calibration, verifying low measurement errors for
flows greater than 5 L/min.
KEYWORDS: Pasteurizer, Beer, Efficiency, Flow meter.
ii
SUMÁRIO
RESUMO.............................................................................................................................. ii
ABSTRACT ........................................................................................................................ iii
SUMÁRIO ........................................................................................................................... iv
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... v
LISTA DE TABELAS......................................................................................................... vi
LISTA DE SÍMBOLOS........................................................................................................vii
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 2
3. FUNDAMENTAÇÃO ..................................................................................................... 3
4. MATERIAIS E FABRICAÇÃO...................................................................................... 4
7. RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................................... 6
8. CONCLUSÕES ............................................................................................................... 8
REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 11
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Serpentina de resfriamento de mosto .................................................................. 2
Figura 2 – Trocador de calor de placas ................................................................................. 2
Figura 3 – Pasteurizador em processo de construção ........................................................... 4
iv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Calibração do Medidor de Vazão ...................................................................... 7
v
LISTA DE SÍMBOLOS
Calor específico [kJ/kgK]
Vazão mássica [kg/s]
Temperatura de entrada de fluido quente [K]
Temperatura de saída de fluido quente [K]
Temperatura de entrada de fluido frio [K]
Calor trocado [W]
Calor máximo que poderia ser trocado [W]
Eficiência (adimensional
)
Densidade [
]
Vazão volumétrica [
]
vi
1. INTRODUÇÃO
A cerveja, com toda a certeza, é uma das bebidas mais apreciadas e antigas de
todo o mundo. É conhecida há mais de 6000 anos e perdura até hoje em nosso
cotidiano. Desde antes de Cristo seu currículo tornou-se extenso: em sua homenagem
havia uma deusa na suméria, passou pelo código de Hamurábi na Babilônia e até
mesmo houve um faraó-cervejeiro no Egito. Atualmente continua sendo muito
consumida por todos os segmentos da sociedade e já são conhecidos alguns de seus
benefícios e malefícios, [MORADO].
Esta bebida alcoólica é feita da fermentação de vegetais contendo amido,
especialmente cereais. O mais comum é a cevada. Seus ingredientes básicos são água,
cevada maltada e lúpulo. Também podem ser acrescentados outros ingredientes para
obter sabores variados. Obter um resultado satisfatório ou específico ao fazer uma
cerveja pode não ser uma tarefa simples. Seu sabor, cor e aroma dependem dos
ingredientes de que é feita e da sua forma de preparação. Em geral, um bom resultado
requer experiência.
Os três processos básicos de preparação da cerveja são a mostura, fervura e
fermentação. Na mostura são retirados os açúcares fermentáveis do malte, obtendo-se o
mosto. O mosto é fervido por uma ou duas horas, tempo em que é acrescido o lúpulo
conforme o sabor e aroma desejado. Depois o mosto é separado do lúpulo e resfriado.
Finalmente, a cerveja é fermentada, carbonatada e envasada. Todo o processo pode
durar várias semanas.
O rápido resfriamento do mosto após o cozimento faz parte do processo, devendo
sua temperatura ficar próxima a temperatura ambiente. A forma de realização desse
resfriamento será o tema principal deste texto.
A idéia central é apresentar um dispositivo capaz de resfriar até a temperatura
próxima a ambiente a maior quantidade de mosto possível com menor consumo
possível de líquido de arrefecimento. O dispositivo será um trocador de calor que, para a
finalidade da produção da cerveja, será chamado de pasteurizador.
Para avaliar o consumo no arrefecimento e a produção do mosto resfriado também
será exposto um dispositivo próprio de medição da vazão, em que é desejável obter uma
baixa incerteza. A base para alcançar esse objetivo é um tubo Venturi de onde serão
feitas tomadas de pressão.
Ao final deste texto o leitor terá conhecido uma idéia funcional e barata de resfriar
líquidos e sua forma de construção. Além disso, também terá disponível a informação
de como pode ser construído e utilizado um medidor de vazão para o pasteurizador, bem
como sua calibração, sendo que essa forma de medição também poderá ser utilizada
para outros fins.
1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O modo como cervejarias artesanais resfriam seu mosto depende da quantidade
que é produzida. Pode-se utilizar mais de um pasteurizador no processo de resfriamento.
Em geral a decisão sobre o tipo de pasteurizador depende do custo e resultado a ser
obtido.
Para cervejarias com produção pequena ou inconstante, o resfriamento do mosto
pode ser feito com serpentina, como a da figura abaixo.
Figura 1: Serpentina utilizada para resfriamento do mosto de cerveja.
Figura retirada do site www.weconsultoria.com.br.
Para produções maiores, um trocador de calor de placas pode ser usado. Neste
trocador há duas entradas e duas saídas, uma entrada e uma saída usadas pela mosto,
que entra quente e sai frio, e outra entrada e saída usadas pelo líquido refrigerante, que
sairá mais quente do que entrou. A figura abaixo ilustra esse tipo de resfriador, também
utilizado para o leite.
Figura 2: Trocador de calor de placas utilizado para alimentos.
Figura retirada do site de Engenharia e alimentos da UFGRS.
2
Em uma microcervejaria da zona sul de Porto Alegre, por exemplo, são utilizados
dois trocadores de calor de placas: um refrigerado com água a temperatura ambiente
para baixar a temperatura do mosto em torno de 40°C e outro refrigerado com água a
4°C. Neste último poderia ser usada uma solução de água e etanol a -7°C para um maior
resfriamento, em torno de 20°C. O resultado obtido para este tipo de trocador é um
resfriamento em torno de 75°C, ou seja, o mosto entra a 100°C e sai a 25°C.
Uma opção a ser utilizada para resfriamento de líquidos é o trocador do tipo casco
e tubos. Neste tipo de trocador, o líquido refrigerante passa por dentro do casco,
resfriando o líquido quente, ou mosto, nos tubos, que também passam por dentro do
casco. Este foi o trocador escolhido neste trabalho, por causa do seu baixo custo e
facilidade de construção.
3. FUNDAMENTAÇÃO
Para verificar o desempenho do pasteurizador utilizado, [INCROPERA], a sua
eficiência é calculada com
onde é o calor trocado no processo e
trocado.
O calor trocado é
é o calor máximo que poderia ser
(2)
(3)
é a menor taxa de capacidade calorífica dos fluidos quente e frio, função da
vazão mássica multiplicada pelo calor específico. No caso do trocador em questão,
como varia pouco e a vazão mássica do líquido quente é bem menor,
(4)
Outro parâmetro importante, que é relacionado com a produtividade, é a vazão do
líquido que pode ser resfriado.
A medida da vazão de um escoamento permanente [SCHNEIDER, 2011] pode ser
realizada facilmente com a utilização de um contador de tempo (cronômetro) e um
reservatório. É medida a vazão volumétrica, pois mede-se a diferença no nível do
reservatório após decorrido um certo tempo. Basta que seja dividido o volume pela
unidade de tempo e tem-se a vazão. Para obter a vazão mássica utilizada nas equações
do calor acima, utiliza-se
onde
é a densidade, em
,e
é a vazão volumétrica, em
.
3
4. MATERIAIS E FABRICAÇÃO
O presente trabalho foi desenvolvido em duas etapas: o pasteurizador e seu
medidor de vazão. Os materiais utilizados foram facilmente encontrados em ferragens e
supermercado, sendo assim, o experimento poderia ser repetido facilmente.
4.1.
Pasteurizador
O pasteurizador construído é do tipo casco e tubo. O fluido refrigerante (água) irá
passar pelo casco e trocar calor com o líquido no interior dos tubos internos, onde
passaria o mosto. Para uma melhor troca de calor foram usados tubos de alumínio, que
tem alta condutividade térmica. Também influencia na troca de calor a espessura destes
tubos.
O casco, parte externa do equipamento, é feita de cano PVC, com diâmetro
externo de
e diâmetro interno de
, comprimento de
, duas saídas
para água fria
distantes das pontas (em média) e oito saídas para água quente do
mosto em cada ponta, conforme a figura abaixo.
Figura 3: Pausteurizador para cerveja em construção.
Os tubos para passagem do líquido quente são feitos de alumínio e medem
.
Seu diâmetro externo é de
e interno de
, ou seja, a espessura é de
separando os líquidos quente e frio. Ao final do comprimento do casco foi
colocada uma barreira de PVC com oito furos para os tubos saírem de forma que o
líquido quente não se misture com o frio. Para ajudar a promover turbulência da água
fria foram colocados arames enrolados nos tubos no lado de entrada do refrigerante.
Não foram utilizadas aletas internas no casco (chicanas).
4
Um acoplamento foi colocado na ponta do casco para que houvesse apenas uma
saída de água quente. Esta saída é adaptável à bancada disponível do laboratório.
4.2. Medidor de Vazão
Para o medidor de vazão foram utilizados canos hidráulicos, válvulas, balde
graduado e cronômetro. O encanamento tem três saídas: uma conectada ao
pasteurizador, outra conectada à fonte de líquido (neste caso, a bancada do laboratório)
e outra que permitirá a saída do líquido para o reservatório, neste caso o balde graduado.
O cano principal sai do pasteurizador e é dividido em dois. O caminho do
escoamento é determinado pela abertura de duas válvulas, localizados após a divisão do
cano. Quando o escoamento tomar seu curso normal, a válvula que leva ao reservatório
aferido estará fechada. Quando deseja-se medir a vazão, somente esta válvula estará
aberta.
5
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Foram realizados cálculos teóricos a fim de comparar o resultado obtido na
bancada com a teoria. Teste feito com
de água fria e
de água
quente. Ou seja, são
de entrada de água fria e
de entrada
de água quente.
A água quente, com temperatura de 48,856°C (322,006K) de entrada, saiu com a
temperatura de 43,219°C (316,369K). A água fria, que entrou a 25,733°C e saiu a
29,715°C.
,
Levando em consideração as equações para cálculo do calor trocado, calor
específico e densidade da água usada para simular a passagem do mosto pelo
pasteurizador, foram calculados o calor trocado, calor máximo que poderia ser trocado
eficiência do equipamento.
Utilizando a equação (2), chega-se ao resultado de que a troca de calor ocorrida
entre o líquido refrigerante e o líquido a ser resfriado é:
O valor máximo que poderia ser atingido, utilizando a equação (3) e (4)
Deste modo, conclui-se que, pela equação, (1) a efetividade é
O resultado de uma efetividade baixa foi atribuído ao baixo número de tubos
internos do pasteurizador, ocasionando menos superfície de troca entre o líquido quente
e frio, e também à ausência de aletas (chicanas), que além de promover turbulência
também ajudariam a guiar a passagem de líquido frio pelo casco. Um melhor resultado
seria obtido ao utilizar estes elementos no pasteurizador.
Sobre o tanque aferido utilizado para fazer as medições, ao fazer a calibração com
o medidor de referência do laboratório, foram encontradas diferenças
proporcionalmente pequenas nas medições para vazões mais elevadas e diferenças
proporcionalmente maiores para vazões pequenas, conforma a tabela abaixo.
6
Medidor de
Referência
Vazão (l/min)
1,5
2,5
5,0
7,5
10,0
Tanque Aferido
Vazão (l/min)
Erro (%)
1,1
2,2
4,9
7,4
9,8
Tabela 1 – Calibração do Medidor de Vazão
26,67
12,00
2,00
1,33
2,00
O gráfico a seguir ilustra a proximidade entre as medições para maiores vazões e
um maior distanciamento para medições com baixa vazão.
12
10
Medidor de
Referência
Vazão (l/min)
8
6
Tanque Aferido
Vazão (l/min)
4
2
0
1
2
3
4
5
Gráfico 1: Diferença de resultados entre os dois medidores de vazão
Erro atribuído à
medição (%)
O gráfico seguinte evidencia como os erros decrescem com o aumento da vazão.
Vazão X Erro
30
20
10
0
0
5
10
15
Vazão de Referência (L/min)
Gráfico 2: Relação entre o erro na medição e a vazão
A maioria dos medidores apresenta maiores incertezas quando utilizados em
baixas vazões, portanto este resultado era esperado.
Utilizando o software “Curve Expert”, é obtido um polinômio que relaciona de
forma aproximada a vazão medida com a vazão de referência.
Neste polinômio,
referência.
representa a vazão medida e
representa a vazão de
7
6. CONCLUSÕES
Através dos resultados expostos para o pasteurizador, é possível concluir que
seriam necessárias modificações construtivas, como colocação de chicanas ou aumento
do número de tubos, para utilizá-lo para o processo de fabricação da cerveja. A
efetividade calculada do pasteurizador construído é 24,4%. Tais modificações poderiam
ser obtidas facilmente e trariam resultados mais interessantes para sua finalidade. Desta
forma é confirmada a necessidade de mais área de troca de calor e aletas, elementos
comumente expostos na bibliografia.
O medidor de vazão acoplado ao pasteurizador se comportou conforme a
expectativa, com erros menores que 2% em vazões acima de 5L/min, não necessitando
de ajustes para sua utilização.
8
REFERÊNCIAS
[INCROPERA] INCROPERA, Frank, Transferência de Calor e de Massa, 6ª ed., LTC,
2007.
[SCHNEIDER] SCHNEIDER,Paulo, Medição de Velocidades e Vazão de Fluidos,
2011
[MORADO] Morado , Ronaldo - Cerveja e Vinho - dos Primórdios à Atualidade,
revista BEERLIFE