Descrição: Analise para aumentar a eficiência de trocador de calor sólido-gás...
Análise da capacidade de um trocador de calor de contato
direto
para
melhoria
da
eficiência
energética na ventilação
¹ C. Gonçalves, ² F. A. Reichert, ³ M. C. R. Garcia. Instituto Federal Sul-Riograndense – IFSUL – Campus Sapucaia do Sul
¹
[email protected], ²
[email protected], ³
[email protected]
Resumo: O estudo teve como objetivo encontrar parâmetros de vazão de
ar ideal para que, sem perder atributos importantes de qualidade do polímero, chegasse ao parâmetro que sustente um melhor aproveitamento energético do motor do ventilador. Com base em dados obtidos a partir de medições in loco e testes de variação de temperatura na saída, foi possível encontrar o limite máximo dessa temperatura. Trazendo no trabalho trabalho os cálculos cálculos que sustentam sustentam os dados atuais atuais e com base nos valores encontrados nas medições, foi possível refazer os cálculos e encontrar a vazão mínima para a máxima temperatura de saída.
Palavras-Chave: Trocador de calor; resfriamento; sólido-gás;
¹ Instituto Federal Sul-Riograndense – IFSUL – Campus Sapucaia do Sul – Engenharia Mecânica ² Instituto Federal Sul-Riograndense – IFSUL – Campus Sapucaia do Sul – Engenharia
Mecânica ³ Professor Doutor do Instituto Federal Sul-Riograndense – IFSUL – Campus Sapucaia do Sul
Abstract: the study has as objective find parameters of ideal flow rate of the air,
in order to, without lost importants quality atributes of the polimer, reach a parameter who supports a better energy use of the ventilator engine. Based on data obtained from measurements on the spot and tests of variations of the output temperature, was possible to find a maximium limit of this temperature. Bringing on the article the calculations that support the current data and based on the values finded in the measurements, was possible to remake the calculations and find the minimum flow rate of the maximium output temperature.
Key words: Heat Exchanger; cooling; solid-gas.
Introdução O processo de troca de calor entre dois fluídos ou materiais que estão a diferentes temperaturas ocorre em muitas aplicações de engenharia.
O
equipamento utilizado para implementar essa troca é conhecido como trocador de calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento ou condicionamento de ambientes, produção de potência, na recuperação de calor em processos e no processamento químico. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994) A escolha ou construção de um trocador de calor é determinada pelo objetivo da troca, fluídos envolvidos, entre outros fatores.
Parâmetros de
desempenho são importantes para avaliar a eficácia do equipamento. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994) São equipamentos em que dois fluidos a diferentes temperaturas trocam calor, podendo ou não ocorrer mudança de fase dos fluidos. Essa troca térmica é empregada para atender às exigências de um dado processo. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994) Dentre os vários tipos de trocadores de calor empregados em processos industriais, o mais usado é o tipo casco e tubos. Este trocador consiste, resumidamente, de um casco cilíndrico que contém tubos em seu interior. Um dos fluidos de trabalho escoa pelo casco e o outro fluido, pelos feixes de tubos. A troca térmica é realizada através das paredes dos tubos. Os componentes principais deste equipamento são o casco, o feixe de tubos e os cabeçotes de entrada e retorno. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994) O projeto de um casco e tubo compreende duas etapas distintas: o projeto térmico e o projeto mecânico. No projeto térmico, o trocador é dimensionado e a troca de calor e perda de carga, quantificadas. Nesta etapa, os principais parâmetros de construção como o tipo e diâmetro do casco, espessura da parede, diâmetro externo e comprimento dos tubos e o espaçamento entre as chicanas são determinados. (HEWITT, SHIRES e BOOT, 1994)
Neste trabalho, será abordado um tipo deferente de trocador de calor, pois não temos dois fluídos. O material que desejamos extrair calor é uma massa polimérica, em forma de filamentos, em movimento contracorrente ao fluído refrigerador, o ar. Esse tipo de trocador é conhecido como Trocador de Calor de Contato Direto. Trocadores de calor de contato direto são um tipo de trocador casco e tubo em que não há a presença de uma parede de separação. Segundo Hewitt, Shires e Boot (1994) estes trocadores podem ser dos seguintes tipos: Gás – Líquido;
Líquido Imissível – líquido;
Sólido – líquido ou sólido – gás;
Conforme citado anteriormente, a troca de calor é realizada através de escoamento contracorrente, que é um tipo de escoamento onde os fluidos quente e frio entram no trocador de calor por extremidades opostas e escoam em direções opostas. Isto faz com que ocorram variações nas temperaturas, conforme gráfico abaixo: (ÇENGEL e GHAJAR, 2011)
Gráfico 1:Variação das temperaturas dos fluidos em um trocador de calor contracorrente de tubo duplo.
O trocador de calor estudado é composto por uma unidade de troca de calor, isolada internamente com lã de rocha, por uma unidade de ventilação e por um radiador para realizar o resfriamento do ar. Este radiador é resfriado internamente por líquido que é recebido de uma central de refrigeração, não ocorrendo alterações na temperatura do líquido.
A forma do trocador de calor podem ser visualizada na imagem abaixo:
Imagem 1: Vista isométrica do equipamento
Imagem 2: Vista do equipamento com a unidade de troca de calor aberta
O trocador do estudo faz o resfriamento de muitos monofilamento polimérico a base de PET que ficam alinhados lateralmente. Estes são utilizados para a produção de vassouras. O resfriamento dos monofilamentos durante o processo tem como objetivo fazer com que o passe para a próxima etapa do processo em temperatura ideal a não ganhar memória (empenar) nos rolos tracionares. Esse empenamento inutiliza o monofilamento para seu uso, tanto na parte funcional como no processo, pois impede o acondicionamento do fio no coletor e promove enrolamento em componentes da linha, gerando inclusive paradas, bem como o produto final não mantem o atributo funcional esperado. O objetivo desse trabalho é estudar o equipamento atual e, com base nos dados levantados durante o período de medições, poder entender onde estão as oportunidades de melhorar a eficiência energética do sistema de ventilação do equipamento, podendo sugerir alterações e melhorias no processo baseados em cálculos de transferência de calor. O presente estudo também se motiva pelo fato do equipamento ter sido construído com base no know-how da empresa, sem conhecer exatamente a eficiência e como pode ser melhor aproveitado, tanto em relação ao produto final quanto eficiência energética do motor da ventilação.
Materiais e Métodos As medições de temperaturas do polímero e vazão do ar foram feitas in loco, com o trocador de calor em funcionamento. Para cada parâmetro foram feitas 3 medições e considerado a média aritmética delas. Foram utilizados para as medições as seguintes ferramentas:
Anemômetro para medição da vazão de ar;
Termômetro Digital Infravermelho com Mira Laser (-50º a 380º C).
As medições de vazão e velocidade do polímero foram calculadas com base nas informações de vazão fornecidas pelo equipamento.
Resultados Para projetar ou prever o desempenho do trocador de calor é essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a grandezas como: as temperaturas de entrada e saída dos fluídos, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total disponível para a transferência de calor. Duas dessas relações podem ser obtidas de imediato, com a aplicação de balanços globais de energia nos fluidos quente e frio, como mostrado na figura abaixo. (INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)
Imagem 3: Balanços de energia globais para os fluidos quente e frio de um trocador de calor com dois fluidos.
Em particular, se q é a taxa total de transferência de calor entre os fluidos quente e frio, a transferência de calor entre o trocador e a vizinhança é desprezível, assim como as mudanças nas energias potencial e cinética, e são admitidos calores específicos constantes, é possível aplicar a equação para processos contínuos em regime estacionário na forma reduzida: (INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)
= ̇ . ; . ; . ; = ̇ . ; . ; . ; Sendo
̇ a vazão mássica e o calor específico a pressão constante.
Os subscritos q e f se referem aos fluidos quente e frio, enquanto ent e sai designam as condições do fluido na entrada e na saída. As temperaturas que aparecem nas expressões se referem as temperaturas médias dos fluidos nas localizações indicadas. Estas equações são independentes da configuração do escoamento e do tipo do trocador de calor. (INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014) Outra equação útil pode ser obtida relacionando-se a taxa de transferência de calor total q à diferença de temperaturas entre os fluídos quente e frio. Essa expressão seria uma extensão da lei do resfriamento de Newton, com o coeficiente global de transferência de calor U usado no lugar de um único coeficiente de transferência de calor h. Entretanto, como ∆T varia com a posição
no trocador de calor, torna-se necessário se trabalhar com uma equação para a taxa na forma: (INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)
= . . ∆ Na qual
∆ é
uma média logarítmica apropriada de diferenças de
temperaturas. Esta equação pode ser usada nas equações descritas anteriormente para efetuar uma análise de trocadores de calor. Contudo a forma específica de
∆ deve
ser estabelecida, conforme tipo de trocador de calor.
(INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)
A diferença de temperaturas média logarítmica pode ser definida pela equação abaixo:
∆ = Os valores de
∆ ∆ ln ∆ ∆
∆ e ∆ são definidos conforme o arranjo do trocador de
calor. No caso de trocador contra corrente as diferenças de temperaturas nas extremidades devem ser definidas como: (INCROPERA, BERGMAN, et al., 2014)
∆ = ; ; ∆ = ; ;
A partir destes equações é possível realizar a análise do trocador de calor. Os dados obtidos na análise pratica mostram que a temperatura média de entrada do ar frio é de 15°C, sendo esta temperatura fixa para diferentes variações de temperatura ambiente e fluxo de ar. A temperatura de entrada do fio extrudado na condição de processo atual é de 50°C e após a passagem pelo trocador de calor o mesmo sai a 18°. A velocidade de extrusão é de 0,77 m/s. Como a densidade do PET é em torno de 1395 Kg/m³ e a área da secção é de
2,94510− m², é possível obter a vazão
mássica do fio, que é de 0,03158 Kg/s. O calor específico do PET é de de 1170 J/Kg.K. Realizando o balanço de energia, pode se obter a taxa de transferência de calor atual do trocador de calor, conforme equação abaixo:
= ̇ . ; . (; . ; ) ⇒ = 0,03158 = 1182,35
.1170 . 5018 .
Como a velocidade de saída do ar é em média 15 m/s, e sua densidade é de 1,225 Kg/m³ e a área de saída do ar é de 0,031725 m², pode se obter a vazão mássica do ar, que é de 0,583 Kg/s. O calor específico do ar a pressão constante e na temperatura de 15°C é de 1007 J/Kg.K. Utilizando a equação abaixo é possível obter a temperatura de saída do ar:
= ̇ . ; . (; . ; ) ⇒ 1182,35 = 0,583
.1007 . ( 15) . ;
; = 17,01 ° Com base nos dados das temperaturas envolvidas, pode-se obter a diferença de temperatura média logarítmica do trocador de calor, que é a seguinte:
∆ =
∆ ∆ 18155017,01 ⇒ ∆ = ° ⇒ ∆ = 12,5° ∆ 1815 ln ∆ ln 50 17,01
A área de troca de calor do equipamento é formada por 300 fios com Ø 0,5 mm, que ficam encostados lateralmente, então devido a isto a área foi aproximada por uma placa de 150mm de largura. O comprimento de troca de calor é de 1500 mm, então a partir disto se obteve a área de troca de calor que é de 0,4524 m². Com estes dados é possível obter o coeficiente de transferência de calor do equipamento:
=
1182,35 ⇒ = ⇒ = 209,08 . ∆ 0,4524 . 12,5 .
Como a magnitude das variações de temperaturas no trocador de calor será baixa, o coeficiente de transferência de calor encontrado será considerado um parâmetro fixo para realização dos estimativas de novos parâmetros. A estimativa realizada será baseada em um parâmetro de qualidade já conhecido do processo. Este parâmetro é a temperatura do polímero extrudado na saída do trocador de calor. Nas condições atuais o polímero sai do trocador de calor com uma temperatura em torno de 18°C, porém medições realizadas durante condições ambientais específicas, demonstraram que o material extrudado pode sair do trocador de calor com uma temperatura máxima de 22°C, que ainda assim garantirá a qualidade do produto.
Desta forma, uma estimativa de redução de gasto energético pode ser realizada. Esta redução energética pode ser obtida através da diminuição da RPM do ventilador, caso seja possível reduzira velocidade do ar passando pelo trocador de calor. Podemos estimar a redução máxima da velocidade do ar, primeiramente através do cálculo da taxa de transferência requerida, caso a temperatura de saída do polímero seja de 22°C. Utilizando os mesmos dados dos cálculos anteriores obtemos o seguinte resultado
= ̇ . ; . (; . ; ) ⇒ = 0,03158
.1170 . 50 .
= 1034,56 Aplicando estes novos valores na equação abaixo, podemos obter a nova diferença de temperatura média logarítmica. Conforme colocação anterior, o coeficiente de transferência de calor foi considerado o mesmo.
=
1034,56 ⇒ 209,08 = ⇒ ∆ = 10,938 . ∆ . 0,4524 . ∆
A partir desta nova diferença de temperatura média logarítmica, pode-se encontrar a nova temperatura de saída do ar:
∆ =
1550 ; ∆ ∆ ⇒ 10,938 = ° ⇒ ; = 33,87° ∆ 15 ln ∆ ln 50 ;
Com esta nova temperatura de saída do ar, pode-se encontrar a nova vazão mássica do ar:
1034,56 ̇ = ⇒ ̇ = . 33,87 15 ; . (; . ; ) 1007 .
̇ = 0,0545 A partir dos dados da nova vazão e dos dados da densidade e área de saída do ar, podemos encontrar a nova velocidade de saída do ar.
0,0545 ̇ = ⇒ = ⇒ = 1,40 . 1,225 .0,031725 ² ³ Conforme resultado encontrado, com uma diminuição de 15 m/s para 1,4 m/s da velocidade do ar, pode-se continuar atingindo um ótimo parâmetro de qualidade, porém com uma grande redução no gasto energético, já que ocorrerá uma grande redução na velocidade do ar.
Conclusão Com base nos estudos em campo foi possível encontrar o limite de temperatura superior que o polímero pode sair do trocador de calor sem perder seus atributos de qualidade motivo pelo qual o trocador de calor existe na linha. Esse parâmetro norteou os cálculos para se encontrar a vazão do fluído refrigerante (ar). Os resultados mostram que a vazão de ar pode ser reduzida em 90%, o que levaria a uma redução da rotação do ventilador e consequentemente do consumo energético. O estudo não pode ser comprovado na prática pois o trocador de calor não possui regulagem de velocidade no motor e para tanto alguns pontos precisam ser observados com atenção, pois uma rotação muito baixa pode prejudicar a refrigeração do próprio motor e leva-lo a queima, nesse caso seria necessário uma refrigeração forçada e como o objetivo é a economia energética, este acréscimo precisa ser levado em consideração. O presente trabalho conclui que com base nos dados do fluído e massa que será retirada calor, é possível calcular os parâmetros necessários para um melhor aproveitamento energético.
Referências BERGMAN, T. et al. Fundamentos da Transferência de Calor e de Massa. 7ª Edição. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda., 2014.
ÇENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferência de Calor e Massa - Uma abordagem Prática. 4ª Edição. ed. [S.l.]: AMGH Editora Ltda., 2011.
HEWITT, G. F.; SHIRES, G. L.; BOOT, T. R. Process Heat Transfer . [S.l.]: CRC, 1994.
