O documento discute o dimensionamento de um trocador de calor a placas para uma microcervejaria. Apresenta os cálculos para duas estratégias de dimensionamento, variando parâmetros como vazão e número de placas. A segunda estratégia reduz as dimensões do trocador e o consumo de água, tornando-se uma opção mais econômica.
1. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA QUÍMICA
TROCADOR DE CALOR A PLACA NA
INDÚSTRIA DE MICROCERVEJARIA
Docente: Janclei Pereira Coutinho
Discentes: André de Freitas Ferreira e Deivid Cerqueira Pires
Disciplina: CET 1004 - Aplicações Industriais de Calor
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Introdução
Pressupõe que as bebidas fermentadas surgiram há cerca de 30 mil anos atrás.
Alguns estudos relatam que a produção da cerveja teve seu início por volta de 4000
- 6000 a.C;
A cerveja é a quarta bebida mais consumida no mundo, e a primeira bebida
alcoólica mais consumida;
Analisa-se que existam mais de 20 mil diferentes formulações de cervejas no
mundo;
A cerveja apresenta em sua composição antioxidantes.
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PROCESSO DE FABRICAÇÃO
Fonte: https://rd.uffs.edu.br/bitstream/prefix/2354/1/SANTOS.pdf
Whirlpool e resfriamento - altas
taxas de troca térmica;
Whirlpool: processo de
clarificação, antes de ocorrer
o resfriamento;
5. Primeiro PHE surgiu em 1923, usava placas de bronze fundido e suportava uma
pressão de até 2 bar (PHE LTDA, 2002);
Introdução
Introduzidos comercialmente na década de 30;
Objetivo de atender às exigências de higiene e limpeza das industrias alimentícias e
farmacêuticas.
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Introdução
FUNCIONAMENTO: Os fluidos escoam por estreitos canais e trocam calor através
de finas chapas metálicas.
TIPOS: Trocador de calor a placas com gaxetas, espiral, lamela etc.
7. Figura: Diferentes modelos de trocadores de calor a placas com gaxetas
(APV/Invensys)
Introdução
Fonte: http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm
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Características
Possuem um pacote de finas placas metálicas prensadas em um pedestal;
Figura: Trocador de calor a placas aberto e suas partes principais
Fonte: http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm
9. Características
O espaço compreendido entre duas placas é um canal de escoamento,
que pode ter uma espessura de 1,5 a 5 mm;
O fluido entra e sai dos canais através dos orifícios nas placas;
Seu caminho por dentro do PHE é definido pelo desenho das gaxetas,
pelos orifícios abertos e fechados das placas e pela localização das
conexões de alimentação;
A configuração do PHE define as trajetórias dos fluidos quente e frio
dentro do trocador.
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Características
A distribuição do fluxo pelos canais do PHE é feita na forma de “passes”, compostos
por um certo número de “passagens”.
Figura: Exemplo de configuração para um PHE com nove placas
Fonte: http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm
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Estado Estacionário;
Fluidos incompressíveis;
Sem mudança de fase.
- As metodologias de cálculo apresentadas
são propostas por Gut (2003) e Berto
(2000);
- As considerações aplicadas são:
Estratégias de Dimensionamento
Fonte: https://rd.uffs.edu.br/
Fonte: https://rd.uffs.edu.br/bitstream/prefix/2354/1/SANTOS.pdf
12. Para o Diâmetro hidráulico temos:
E para o fluxo mássico:
- Para a taxa de calor trocado, temos:
- Relacionando com a área de troca térmica:
- O coeficiente global de troca térmica é dado por:
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Cálculos para o dimensionamento
13. Vazão (Kg/s) Te (ºC) Ts (ºC)
Fluido Frio 1,66 4 60
Fluido Quente 1,11 90 6
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- Determinados a partir de processos e requisitos de produção de cerveja proposto por Kunze (2014);
- Considerando processo de 2000 litros de mosto cervejeiro;
- O mosto cervejeiro pode ser modelado com as propriedades termo-físicas da água;
- Fluido quente e frio: água;
Determinação de Parâmetros:
Fonte: Próprio autor com base em Kunze (2014)
14. - Neste caso, foram usadas as estratégias de Gut (2003);
- Relacionando as propriedades da placa e do fluido,
obtém-se 10,3 W para cada placa;
- Para obter os 391,6 W obtidos pelas equações
anteriores, serão necessários 38 placas;
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Resultados e Discussão
Primeiro caso:
Fonte: Pinterest
15. - As distâncias entre placas e espessura foram
basicamente os mesmos valores;
- Reduziu a vazão do fluido frio para 1,5 Kg/s;
- De modo geral, nessa estratégia de dimensionamento,
o trocador ficou menor e usa menos água;
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Resultados e Discussão
Segundo caso: Visando redução de custo operacional
Fonte: Alfa Engenharia)
16. Dimensão 1º Caso 2º Caso
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Resultados e Discussão
Comparação entre as duas estratégias
17. Analisando as duas estratégias de dimensionamento é possível afirmar que a
segunda é melhor, pois reduz as dimensões consideravelmente e diminui a vazão
do fluido frio, tornando-se uma opção multi-objetivo, equilibrando parâmetros e
reduzindo custos de operação que, consequentemente, diminui o valor final do
produto.
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Conclusão
18. Referências
[1] Conhecendo os Trocadores de Calor a Placas. Disponível em: http://www.hottopos.com/regeq11/gut.htm. Aceso
em: 24/05/2022
[2] OTIMIZAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR DO TIPO PLACAS PARA MICROCERVEJARIAS. Disponível em:
https://rd.uffs.edu.br/bitstream/prefix/2354/1/SANTOS.pdf. Acesso em: 24/05/2022.
[3] CONFIGURAÇÕES ÓTIMAS PARA TROCADORES DE CALOR A PLACAS. Disponível em:
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-22102003-093322/publico/Tese_Jorge_A_W_Gut.pdf. Acesso:
24/05/2022.
[4] BERTO, M. I. Modelagem matemática e simulação dinâmica de trocadores de calor de placas para o resfriamento
de sucos de laranja natural e concentrado. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Alimentos) – Universidade
Federal de Campinas, Campinas, 2000.
[5] GUT, J. A. W.; PINTO, K. M. Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations. International
Journal of Heat and Mass Transfer, 2003.
[6] KUNZE, W. 2014. Technology brewing and malting. 3rd ed. VLB Berlin.
