Mini-Torre de Resfriamento 20091

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

ENERGIA E FENMENOS DE TRANSPORTE

MINI-TORRE DE RESFRIAMENTO COM NFASE A UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO SERPENTINA

por

Andr de vila BorgesGuilherme Saliba Minuzzo

Roberta PeriniWelder Boeno de Souza

Trabalho Final da Disciplina de Medies TrmicasProfessor Paulo Smith Schneider

Porto Alegre, junho de 2009

ii

RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo e observaes realizadas de uma mini-torre de resfriamento que possui em seu interior um tubo de cobre (serpentina). construda 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 colocada a serpentina, por onde passa o fluido a ser refrigerado (gua quente). Um lquido refrigerante (gua fria) aspergido sobre esta e tambm h passagem de ar atmosfrico succionado por dois ventiladores no topo da torre de resfriamento. Pretende-se, principalmente, que a gua quente resfrie, e se quer verificar o que acontece com os demais parmetros (gua fria e ar). As temperaturas dos trs fluidos envolvidos so medidas tanto na entrada da torre quanto na sada, e ainda aferida a vazo do fluido que passa na serpentina. Como avaliao dos resultados, tem-se que, quanto maior a vazo do fluido refrigerado, menor a diminuio da sua temperatura. O ar sai da torre um pouco mais quente e a gua fria tambm aquece. Estes dois ltimos resultados colocam em dvida a eficincia do borrifador da gua fria e dos ventiladores. Comprova-se pelos testes que a gua melhor trocador de calor que o ar no momento em que se obtm uma maior diminuio da temperatura da gua quente quando apenas a gua fria est atuando sobre o tubo de calor em comparao a apenas o ar atuando sobre este. Nada foi possvel afirmar sobre a troca de calor na mini-torre, pois no se tem completamente definidos os fenmenos que ali acontecem.

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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). Its 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 thats 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 its still measured the fluid flow rate that passes in the coil. Its 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. Its verified by the tests that the water is better heat exchanger than the air at the moment thats 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. Its possible to conclude nothing about the heat exchange in the mini-tower, because the phenomena that occurred there were not completely defined.

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LISTA DE SMBOLOS

Eficincia do Equipamentot Diferena de Temperatura [C]

1T Temperatura da gua quente na entrada da torre [C]2T Temperatura da gua quente na sada da torre [C]xT Temperatura do ar ou temperatura da gua fria na entrada da torre [C]

vSUMRIO

INTRODUO ........................................................................................................................................ 1 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................................................ 2 FUNDAMENTAO TERICA .......................................................................................................... 3 MODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDO .............................................................................. 6 VALIDAO DOS RESULTADOS .................................................................................................. 11 APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS ................................................................... 12 CONCLUSES ...................................................................................................................................... 17 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................................. 18 APNDICE ................................................................................................................................... 21

1INTRODUO

Torres de resfriamento e trocadores de calor so equipamentos muito importantes na rea de energia trmica e fenmenos de transporte. Resfriar a gua, umidificar o ar, dissipar melhor o calor so processos presentes no cotidiano das pessoas, mas que ganham fundamental importncia em empresas e fbricas e por isso, devem ser bem entendidos e esclarecidos na formao acadmica das pessoas da rea.

Este trabalho abordar o estudo e observao sobre o que acontece em uma torre de resfriamento e em um trocador de calor, caracterizando-se pela montagem de uma bancada experimental e medies das temperaturas dos fluidos de trabalho.

A principal finalidade deste trabalho tentar representar de forma simples e reduzida, uma torre de resfriamento com trocador de calor. Quer-se mostrar que um fenmeno importante e muito utilizado no dia-dia pode ser visualizado e compreendido, de maneira prtica, com um experimento caseiro, que no envolva muita tecnologia e instrumentos/equipamentos caros.

2REVISO BIBLIOGRFICA

Segundo Moretti et al. (2006) a teoria bsica de operao de torres de resfriamento foi primeiro proposto por Walker et al. (1923), que desenvolveram as equaes bsicas para a transferncia total de massa e energia e consideram cada processo separadamente. Merkel (1925) combina os coeficientes de transferncia de calor sensvel e massa num nico coeficiente global, baseado no potencial entlpico como fora motora. A teoria proposta por Merkel requer algumas hipteses simplificadoras, que tm sido universalmente adotadas para o clculo do desempenho de uma torre de arrefecimento.

Na literatura sobre torres de resfriamento so comumente encontrados dois parmetros para a avaliao do desempenho de uma torre de resfriamento: efetividade e eficincia. De acordo com Khan e Zubair (2001), a efetividade de uma torre definida como a razo da energia que efetivamente trocada e o mximo valor possvel de energia a ser transferida. Segundo Fisenko e Petruchik (2004), a eficincia pode ser definida como a razo entre a diferena de temperatura de entrada e sada de gua na torre, e a diferena entre as temperaturas de entrada e de bulbo mido local.

Kim e Smith (2001) apresentam estudo para o projeto de um sistema de gua resfriada. Um modelo foi desenvolvido para o desempenho de uma torre de resfriamento permitindo as interaes entre o desempenho da torre de resfriamento e o projeto de redes de gua a explorar sistematicamente. Ele mostra que a efetividade da torre aumenta quando a temperatura da gua na entrada da torre alta.

Zweifel et al.(1995) apresentam alguns dos resultados do desenvolvimento e aplicao de equipamentos, relacionados com a simulao de sistemas de aquecimento, ventilao e calefao de ambientes de edifcios. Dentre eles, um modelo para uma torre de resfriamento de circuito fechado. O modelo expresso em funo dos termos do projeto como a carga de calor da torre, vazo mssica de gua, etc. Depois de fixar um procedimento com as condies nominais, o modelo calcula a temperatura de sada da gua para diferentes condies de operao.

3FUNDAMENTAO TERICA

3.1 TORRE DE RESFRIAMENTO

As torres de resfriamento so as mais empregadas nos sistemas de refrigerao de grande porte, visto que seu melhor desempenho est nesta rea de aplicao. (Stoecker 1985). Num sistema de refrigerao a torre de resfriamento representa a fonte quente do ciclo termodinmico e merece grande ateno para sua seleo e controle em operao. (Dossat, 1992). As torres de resfriamento so classificadas entre os sistemas de resfriamento evaporativo, o que consiste na transformao de calor sensvel em calor latente, donde a gua e o ar so fluidos de trabalho. (Stoecker, 1985). A transferncia de calor por evaporao da gua no ar mais eficiente quando a temperatura alta e o resfriamento se faz mais necessrio. As torres de resfriamento podem ser de contato direto ou indireto, dependendo se os fluidos ar e gua so ou no misturados.

Torres de resfriamento so utilizadas para remover o calor da gua que vem do condensador do chiller, geralmente esta temperatura antes da troca est em 37C e depois retorna ao chiller com 30C. Essas torres trocam calor com o ar atmosfrico. Ventiladores executam a circulao de ar atmosfrico por sobre a gua do condensador na torre de resfriamento. Bombas de gua gelada so utilizadas para movimentar a gua e dar presso na tubulao de gua. Ventiladores e exaustores so mquinas de fluxo destinadas a insuflar e remover o ar do ambiente condicionado. essencial que na instalao todos os equipamentos sejam providos com adequados sensores de temperatura, medidores de vazo, medidores de presso das bombas, etc. S assim o desempenho do sistema est propriamente estabelecido.

As torres de resfriamento podem ser classificadas como Torres Naturais e Torres Mecnicas. Nas Torres Naturais, o suprimento de ar na torre efetuado por conveco natural. J nas Torres Mecnicas, o ar suprido atravs de ventiladores. Por sua vez, as torres de tiragem mecnica podem ser classificadas como as de tiragem forada ou tiragem induzida. Elas tambm se classificam quanto direo de fluxo de ar e gua: fluxo cruzado ou contracorrente. Nas torres de fluxo cruzado, o fluxo de ar horizontal, sendo cortado transversalmente por um fluxo de gua vertical descendente. J nas torres com fluxo contracorrente, o fluxo de ar move-se ascendentemente e a gua possui o fluxo descendente. Cada tipo de fluxo apresenta vantagens e desvantagens. Portanto, a seleo depende das condies de instalao 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 mido, ou seja, com o clima. No inverno, a temperatura do ar cai e a temperatura de sada da gua tambm cai, caso a carga trmica seja mantida constante. Para manter a temperatura da gua de sada constante, pode-se diminuir a vazo de gua que recircula no sistema de refrigerao. No vero, ocorre o inverso, a temperatura de sada da gua aumenta, comprometendo a operao de um condensador em uma coluna de destilao, por exemplo. Pode-se aumentar a vazo de gua no sistema, visando compensar o aumento de temperatura.

3.1.1 OPERAO DE TORRES DE RESFRIAMENTO

A teoria bsica de operao de torres de resfriamento foi primeiro proposto por Walker et al. (1923), que desenvolveram as equaes bsicas para a transferncia total de massa e energia e consideram cada processo separadamente. Merkel (1925) combina os coeficientes de transferncia de calor sensvel e massa num nico coeficiente global, baseado no potencial entlpico como fora motora. A teoria proposta por Merkel requer algumas hipteses simplificadoras, que tm sido universalmente adotadas para o clculo do desempenho de uma torre de arrefecimento.

Na prtica, para projetar torres de resfriamento, muito comum usar o conceito de eficincia de resfriamento, definida por:

41 2

1 x

T TT T

=

(1)

Onde: : eficincia do equipamento analisado.

1T : temperatura da gua quente na entrada da torre, [C].2T : temperatura da gua quente na sada da torre, [C].xT : temperatura do ar ou temperatura da gua fria, na entrada da torre, [C].

3.1.2 VARIVEIS DE PROCESSO E ESPECIFICAO DA TORRE DE RESFRIAMENTO

3.1.2.1 FAIXA

A faixa de uma torre de resfriamento definida como a diferena entre a temperatura da gua quente (alimentao da torre) e a temperatura da gua fria (sada da torre). Ela varia conforme as condies climticas e a vazo da gua de resfriamento na torre.

3.2 TROCADOR DE CALOR

O equipamento conhecido como trocador de calor usado para implementar a troca de calor entre fluidos que esto a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede slida. Pode-se classificar os trocadores de diversas maneiras: quanto ao modo de troca de calor, quanto ao nmero de fluidos, tipo de construo, etc. De uma forma mais bsica, duas classificaes so 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 funo das suas caractersticas de construo.

3.2.1 CLASSIFICAO DE ACORDO A CARACTERSTICAS DE CONSTRUO

Os tipos existentes de trocadores de calor so: trocador tubular, de placas, de superfcie estendida e regenerativos. Existem outros, mas os grupos principais so estes. Aqui vamos focar apenas o primeiro.

3.2.1.1 TROCADORES TUBULARES

So geralmente construdos com tubos circulares, existindo uma variao de acordo com o fabricante. So usados para aplicaes de transferncia de calor lquido/lquido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira tima em aplicaes de transferncia de calor gs/gs, principalmente quando presses e/ou temperaturas operacionais so muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Estes trocadores podem ser classificados como carcaa 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 carcaa. A transferncia de calor associada a um tubo espiral mais alta que para um tubo duplo. Alm disto, uma grande superfcie pode ser acomodada em um determinado espao utilizando as serpentinas.

5Figura 1 Trocador de calor de serpentina.

6MODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDO

4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

AQUECEDOR ELTRICO VENTILADOR FONTE DE TENSO MEDIDOR DE TEMPERATURA PT100 TERMOPAR TIPO J SOFTWARE DE AQUISIO DE DADOS

4.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Foi montada uma bancada experimental, na qual foram feitas as medies, que representa de forma bem simplificada e reduzida, uma torre de resfriamento. Devido s alteraes realizadas a fim de facilitar e agilizar a montagem da bancada, a torre de resfriamento no poder ser assim denominada uma vez que no possui as mesmas caractersticas, mesmo que de forma reduzida.

A bancada foi montada tendo em vista uma torre de resfriamento com circuito fechado, porm, no nosso caso, a passagem tanto do fluido refrigerante quanto do fluido a ser refrigerado est em circuito aberto (passagem contnua, no h retorno do mesmo fluido). Esta alterao foi necessria a fim de baratear o equipamento e tambm simplific-lo.

O esquema ilustrado na Figura 2 mostra como foi a construo da bancada. A bancada uma mini-torre de resfriamento com serpentina. Cada equipamento indicado por um nmero que descreve um fenmeno ou um instrumento (conforme mostrado logo abaixo da figura). As demais ferramentas utilizadas so mquinas do laboratrio LETA (Laboratrio de Estudos Trmicos e Aerodinmicos) da UFRGS, onde todo o experimento foi realizado, desde a montagem da bancada at as medies da temperatura.

Figura 2 Esquema da construo da bancada experimental, uma mini-torre de resfriamento com utilizao de serpentina.

7Cada nmero mostrado na figura anterior corresponde a alguma ao ou equipamento, como indica a lista abaixo:

1. Entrada do fluido refrigerante (gua fria);2. Entrada do fluido a ser refrigerado (gua quente);3. Entrada do ar atmosfrico;4. Borrifador (chuveiro) de gua;5. Esguicho do fluido refrigerante;6. Serpentina de cobre;7. Sada do fluido refrigerado;8. Sada do fluido refrigerante;9. Ventilador de CPU (sada do ar atmosfrico);10. PT100 (medio da temperatura do ar atmosfrico que sai);11. PT100 (medio da temperatura do fluido refrigerado que entra);12. PT100 (medio da temperatura do fluido refrigerado que sai);13. PT100 (medio da temperatura do fluido refrigerante que sai);14. Termopar Tipo J (medio da temperatura do fluido refrigerante que entra).

possvel visualizar, na realidade, como ficou a mini-torre de resfriamento com serpentina na Figura 3, construda para medio 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, h fixado uma serpentina de cobre pela qual passa o fluido refrigerado (gua quente). Na parte superior da torre h um aspersor de gua, uma espcie de chuveirinho, responsvel por esguichar gua fria (fluido refrigerante). A torre possui nas laterais, prximo a base, aberturas para a entrada de ar, vindo da atmosfera, que tambm ajudar na refrigerao do fluido que passa pela serpentina. Este ar succionado por dois ventiladores acima da torre, que faro a circulao do ar vindo da atmosfera.

Para a construo da torre utilizou-se uma lata metlica. Foi retirada a parte de cima da lata (tampa), fez-se um furo no lado inferior para escorrer a gua 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 visualizao do experimento,

8sendo fixado ali um pedao de acrlico. O aspersor (borrifador) de gua est fixado na parede de um tubo circular de PVC com dimetro prximo ao valor da aresta da lata. O tubo com o esguicho de gua fixado na lata, sendo vedada com madeira a rea da lata a mais (que o dimetro do tubo no consegue cobrir). Sobre o tubo, fixado em outro pedao de madeira so colocados dois coolers (de CPU) que faro a circulao do ar. Todo o equipamento revestido, para fins estticos, 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 rea fosse molhada pelos esguichos de gua fria, facilitando a troca de calor. A Figura 5 mostra o aspersor de gua feito com um chuveirinho fixado no tubo de PVC. Os dois ventiladores, j montados sobre o equipamento, e conectados a uma Fonte de Tenso Alternada de 12V (do laboratrio), aparecem na Figura 6.

Figura 4 Serpentina de cobre. Local por onde passa o fluido a ser refrigerado. posicionado com sua abertura maior para cima, dentro da mini-torre.

Figura 5 Aspersor (borrifador) de gua, uma espcie de chuveirinho para esguichar gua fria (fluido refrigerante), na forma de gotculas sobre a serpentina.

9 Figura 6 Dois ventiladores, um ao lado do outro (esquerda), sobre o equipamento. Eles devem succionar o ar atmosfrico que entra pelas laterais da mini-torre, e so ligados a uma Fonte de

Tenso Contnua de 12V (direita).

A gua quente que passa pelo tubo de cobre (serpentina) vem de um aquecedor eltrico j instalado nas dependncias do laboratrio. A vazo de entrada controlada por uma simples torneira e foi calculada de forma prtica, cronometrando o tempo que levava para encher determinado volume. A gua 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 gua fria e com o ar. A gua fria introduzida no experimento sem a medio de sua vazo (controlada manualmente esta foi mantida constante em todas as medies), e a mesma provm direto de uma torneira convencional do laboratrio e passa por um cano at chegar ao borrifador, que espalhar a gua em forma de gotas sobre a serpentina. O ar atmosfrico entra por duas aberturas laterais na mini-torre e elevado pela suco dos dois ventiladores, posicionados na parte superior da mini-torre.

A sada dos lquidos se d, por uma abertura no fundo da lata que constitui a mini-torre (fluido refrigerante) e, o fluido refrigerado, pela continuao do tubo de cobre que vai desembocar em uma mangueira. Ambos lquidos no so reaproveitados.

H a medio da temperatura de entrada e de sada dos trs fluidos envolvidos no processo: fluido refrigerado (gua quente), fluido refrigerante (gua fria) e ar atmosfrico. Utiliza-se o instrumento PT100 para determinar a temperatura de entrada e de sada da gua quente, de sada da gua fria e do ar. A temperatura da gua fria que entra na mini-torre medida por um equipamento, j instalado no laboratrio, que utiliza um Termopar Tipo J e, a temperatura do ar atmosfrico determinada pelo equipamento utilizado como medidor de temperatura (Vaisala), Figura 7. Optou-se assim se fazer as medies devido a restries de instrumentos que o laboratrio dispunha no momento das medies.

Tanto o medidor de temperatura como o equipamento que utiliza o Termopar Tipo J possuem visualizao digital, facilitando a amostragem do valor. Os trs PT100 que foram utilizados na medio da temperatura da gua (tanto a fria como a quente) estavam encapsulados devido a sua utilizao no lquido, j o utilizado para o ar no necessitou estar encapsulado. Os quatro PT100 foram conectados ao equipamento Data Logger HP que realizou a leitura das temperaturas, e atravs de uma placa de aquisio de dados e um programa especfico (Agilent Data Logger), estas foram transferidas direto ao computador. As Figuras 8 e 9 mostram o equipamento Data Logger HP, e a interface grfica do programa Agilent Data Logger.

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Figura 7 Vaisala. Equipamento utilizado para medir a temperatura do ar atmosfrico.

Figura 8 Data Logger HP. Equipamento utilizado no desenvolvimento do trabalho para ler os dados de resistncia dos instrumentos PT 100 e pass-los para uma variao de temperatura.

Figura 9 Interface grfica do programa Agilent Data Logger. Possui recursos para salvar os dados adquiridos durante o tempo e ainda, no momento da aquisio, plota um grfico em funo

do tempo dos diferentes dados que se est adquirindo.

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VALIDAO DOS RESULTADOS

Os resultados obtidos, atravs da anlise das medies de temperatura, foram coerentes com o que estava previsto para acontecer na bancada experimental da mini-torre de resfriamento com serpentina. A gua quente que entra no tubo de cobre (escolhido por sua grande capacidade de troca de calor, ou seja, baixa resistncia trmica) resfriada pelas gotculas de gua fria que so aspergidas pelo borrifador e tambm pelo ar que passa na torre. Como resultado desta troca de calor se obtm uma gua fria na sada um pouco mais quente que quando entrou e o ar da sada mais quente e mido.

Todos os equipamentos utilizados apresentam uma faixa de preciso, ou seja, os valores obtidos no so exatos, estes variam dentro de uma faixa, como j mencionado, porm, como no se est interessado em retirar um valor numrico representativo, mas sim, em fazer uma comparao entre diferentes desempenhos, so teis os valores encontrados sem serem prejudicados pelas imprecises que no afetaro em nada os resultados.

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APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS

Conforme descrito acima o nosso trabalho no constitui uma torre de resfriamento convencional nem um trocador de calor, mas sim, uma juno de ambos. H a presena de trs fluidos que se trocam calor. Conforme a classificao das torres de resfriamento, considerando apenas o fluido refrigerante e o ar, tem-se uma torre do tipo Mecnica de contato direto com fluxo contra corrente. Considerando, agora, apenas o tubo de cobre (por onde escoa gua quente) e o exterior (gua fria e ar) se ter um trocador de calor do tipo serpentina.

Os fenmenos que ocorrem nesta troca de calor so inmeros, intensos e complexos (troca de calor da gua quente com o tubo de calor e este com a gua fria e com o ar, e tambm a gua fria trocando calor com o ar e vice-versa), o que dificulta e muito a utilizao de qualquer tipo de equacionamento, optando-se ento por uma comparao de desempenhos e observaes dos efeitos.

A fim de comparar os fenmenos que ocorrem nesta troca de calor sero testados vrios casos diferentes: o fluido refrigerado submetido apenas ao dos ventiladores, depois somente ao dos esguichos de gua fria e por fim com todos agentes (gua fria e ventilador) e ainda com a variao da vazo do fluido refrigerado.

Alguns dos testes realizados so mostrados nos grficos das Figuras 10 e 11. Vale salientar que o tempo zero mostrado no eixo das abscissas de todos os grficos que seguem no no momento da abertura de todas as torneiras, as mesmas j estavam abertas, logo se pode dizer que este um tempo arbitrrio aps a estabilidade do processo. E tambm importante deixar esclarecido que a poro de gua quente que foi medida, em determinado tempo, tendo uma temperatura na entrada da serpentina, na sada, essa mesma poro, estar com uma temperatura mais baixa, porm nos grficos que seguem estar representada num tempo aps o que est representado na entrada. Isso decorre do fato de o tempo de medio ser o mesmo para a entrada e a sada da gua, mas no significa que a gua que estou medindo na entrada a mesma poro de gua que estou medindo na sada.

Diferena de Temperatura entre

a entrada e sada do Fluido RefrigeradoVazo: 0,08m/h (utilizando lquido refrigerante e ventilador)

2526272829303132333435

0 50 100 150 200 250 300Tempo [s]

Tem

pera

tura

[C

]

S ada E ntrada

Figura 10 Grfico da variao da temperatura entre a entrada e sada do fluido refrigerado (gua quente) em funo do tempo, para uma vazo de 0,08m/h do fluido refrigerado,

utilizando para refrigerar lquido (gua fria) e ventilador.

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Diferena de Temperatura entre a entrada e sada do Fluido Refrigerado

Vazo: 0,36m/h (utilizando lquido refrigerante e ventilador)

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28

29

30

31

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34

35

0 50 100 150 200 250 300

Tempo [s]

Tem

pera

tura

[C

]

Sada Entrada


utilizando para refrigerar lquido (gua fria) e ventilador.

Os grficos mostram uma constncia de variao de temperatura da gua quente que entra e a que sai, ou seja, a diferena de temperatura se mantm constante, a temperatura da sada da gua varia com a temperatura de entrada. A diminuio da temperatura de entrada da gua quente decorrente da dificuldade que se tem em controlar a temperatura da gua que vem do aquecedor eltrico, de maneira a deix-la constante. Porm, v-se um resultado satisfatrio uma vez que percebida uma variao de temperatura significativa, validando nosso experimento.

O tempo em que a linha de sada do fluido nos grficos deve ser retardada em comparao a linha de entrada , para uma vazo de 0,08m/h, aproximadamente 7 segundos, e para a vazo de 0,36m/h, de 2 segundos. Uma diferena sem importncia para os resultados, mas que deve ser observada.

Outro ponto importante verificado mudando a vazo do fluido refrigerado. Observa-se pelos dados que, no momento que a vazo maior, a diminuio da temperatura no fluido refrigerado menor se comparado a diferena de temperatura que se obteve quando da vazo menor. Isso pode ser explicado ao pensar que alterou a velocidade de escoamento do fluido, j que a rea permaneceu constante, e com uma velocidade menor o lquido permanece mais tempo em contato com o tubo que est esfriando, podendo tambm resfriar-se mais. Esse resultado observado nas Figuras 9 e 10, onde o primeiro (vazo menor) se obteve 7,77t C = e para o segundo (vazo maior) observa-se 2,52t C = , uma diferena considervel (os valores de tso mdias).

Os resultados que mais chamam a ateno, so, sem dvida, as diferenas existentes entre os casos analisados (com todos os equipamentos para resfriamento ou sem algum deles). Os grficos mostrados nas Figuras 12 e 13, abaixo, so para dois casos, um no utilizando o fluido refrigerante e outro sem a utilizao do efeito dos ventiladores, ambos para a mesma vazo.

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Vazo: 0,36m/h (utilizando apenas lquido refrigerante)

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0 50 100 150 200 250 300

Tempo [s]

Tem

pera

tura

[C

]

Entrada Sada


utilizando para refrigerar apenas lquido (gua fria).


Vazo: 0,36m/h (utilizando apenas ventilador)

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

0 50 100 150 200 250 300

Tempo [s]

Tem

pera

tura

[C

]

Entrada Sada


utilizando para refrigerar apenas os ventiladores.

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Como era o esperado, percebido que h uma maior diferena de temperatura existente na entrada e sada do lquido refrigerado quando submetido apenas a ao do fluido refrigerante que no caso de ser submetido apenas a ao dos ventiladores, que promovem uma circulao do ar. Isso vem a mostrar que o ar um fluido de difcil troca de calor, por isso sistemas de resfriamento ou escolhem outro fluido como refrigerante ou se no possvel trabalhar com outro fluido necessitam aumentar a rea de transferncia do calor (utilizao de aletas).

Fazendo a diferena dos resultados que se obteve como mdia para as variaes entre a temperatura na entrada e sada do fluido refrigerado para os casos das figuras acima (de resfriamento sem a gua fria e resfriamento sem os ventiladores) obteve-se como resposta uma variao de 2,32C.

possvel, para os casos mostrados nas duas figuras anteriores calcular a eficincia de resfriamento de cada equipamento. Fazendo uso da equao (1) e modificando-a para o quando se tem dois lquidos como fluidos de trabalho, obteve-se, para o caso de utilizao apenas do lquido refrigerante como equipamento de resfriamento, 25% = ; j para o caso da utilizao de apenas os dois ventiladores como meio de resfriamento o resultado foi 12% = . Os valores indicam apenas a superioridade do resfriamento com gua do que apenas com o ar.

Este mesmo clculo no pode ser repetido para quando se tm ambos os instrumentos (gua fria e ventilador) de resfriamento, pois no conhecida a influncia (pesos) da participao de cada elemento no resfriamento da gua quente, no conhecida a troca de calor latente e sensvel do processo.

Outra medio realizada, mais por curiosidade, no considera nenhum equipamento de resfriamento, ou seja, a mini-torre ficou submetida apenas a ao do ar atmosfrico sem nenhum aparelho para aumentar sua movimentao. A Figura 14 ilustra esse teste.


Vazo: 0,36m/h (sem utilizar equipamento de resfriamento)

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2627

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2930

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32

3334

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0 50 100 150 200 250 300

Tempo [s]

Tem

pera

tura

[C

]

Sada Entrada


sem utilizar equipamento para resfriamento.

Percebe-se como a variao da temperatura da gua quente mnima, mas existe. Neste momento h uma circulao do ar por conveco natural, o ar que chega prximo aos tubos aquecido ao trocar calor, torna-se menos denso e elevado pelo ar mais frio que vem de fora. A diferena entre este caso (sem nenhum sistema de resfriamento) e o caso mostrado anteriormente

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apenas com os ventiladores em funcionamento mostrou uma diferena pequena o que levanta a questo da eficincia dos ventiladores.

Obteve-se para este experimento desenvolvido uma faixa mxima de 8,11C (valor correspondente a mdia de todos os pontos de medio). Este resultado mostra a mxima diferena de temperatura na entrada e sada do fluido refrigerado.

Para se ter uma idia de como os demais parmetros (temperaturas) medidos foram influenciados no processo onde todos os equipamentos de resfriamento estavam funcionando se tem que, a temperatura da gua fria na entrada era praticamente constante (variao de 1C) na ordem de 16,2C, e a mesma saa da torre com temperatura mdia de 20,7C. O ar atmosfrico entrava com uma temperatura de 21,6C e saa com mdia de 23C.

Por estes resultados o ar tem sua temperatura aumentada, o que se conclui que predomina o calor trocado com o tubo (serpentina) e no com a gua, porm, em condies reais de operao o esperado uma reduo da temperatura do ar de sada, trocando calor predominantemente com a gua fria. Uma explicao para esse fenmeno seria que a serpentina no estivesse totalmente molhada, causada pela baixa eficincia do borrifador.

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CONCLUSES

Este trabalho foi muito importante para se ter conhecimento da grande complexidade que se tem por trs dos fenmenos e processos estudados em sala de aula. As coisas apresentadas em um quadro de giz so muito mais complicadas do que parecem ser. Afinal, no to simples assim montar um instrumento que venha a representar, mesmo que de forma bem simplificada, um fenmeno difcil de ser compreendido em sua totalidade. Foi, principalmente, devido a esta dificuldade que no se apresentou nenhum clculo referente troca de calor existente na bancada experimental construda, uma vez que, para o clculo, deve-se considerar a influncia de todas as resistncias trmicas do sistema que so muitas e complexas de serem determinadas, logo, o trabalho se voltou para a variao de temperatura que ocorre nos diferentes casos estudados, que retirada diretamente dos grficos.

Com relao aos resultados obtidos dos grficos, ficaram dentro do esperado, mostrando como os parmetros variam em cada processo analisado.

Muitas foram as simplificaes feitas para a obteno de resultado de forma rpida e barata (objetivos do trabalho), mas verificou-se que essas atribuies em um processo real de indstria no podem acontecer, pois despenderia muita gua, sem nenhuma forma de reaproveitamento. Logo, utilizar uma bomba de forma a recircular os fluidos refrigerados e refrigerantes so etapas que devem ser introduzidas numa etapa de continuao do trabalho realizado. Tentar deixar o experimento mais prximo da realidade, aumentando o tamanho do equipamento. E tambm modificar o borrifador, j que foi a causa de um possvel erro; ou mesmo os ventiladores, na tentativa de aumentar a eficincia do sistema. E por fim, conseguir, mesmo que aproximado, concluir sobre as possveis trocar trmicas existentes nos diversos processos existentes dentre de uma mini-torre de resfriamento com trocador de calor.

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APNDICE

APNDICE I Descrio dos equipamentos utilizados

AQUECEDOR ELTRICOInstalado no LETA.A gua fria vem de um reservatrio situado acima, e bombeada para o aquecedor

eltrico. O acionamento da bomba e do aquecedor fica localizado em um quadro eltrico onde ficam os disjuntores.

VENTILADORForam utilizados 2 ventiladores.

1) Globe Fan (Sleeve Bearing) DC12V, 0,23A.

2) Jamicon DC12V, 0,19A.

FONTE DE TENSOMontada pelo LETA.Fonte de Tenso Contnua de 12V.

MEDIDOR DE TEMPERATURA (VAISALA)o Faixa de temperatura: 0 a 60C.

PT100 um sensor de temperatura.

o Sensibilidade pequena (aproximadamente 0,4/C); o Tempo de resposta pequeno;o Resistncia a 0C de 100; o Variao da resistncia na gama de 0C a 100C de 38,5; o No tem histerese; o Grande estabilidade; o Elevada exatido;o Gama dinmica precisa de -100C a 200C;o Sensibilidade ao sobreaquecimento.

TERMOPARTermopar Tipo J

o Elemento Positivo: Ferro (+);o Elemento Negativo: Constantan (-);o Faixa de Temperatura usual: 0C a 760C;o Preciso: 1,1C ou 0,4%.

Caractersticas:Podem ser usados em atmosferas oxidante, redutores, inertes, e no vcuo. No devem ser

usados em atmosferas sulfurosas e no se recomenda o uso em temperaturas abaixo de zero grau. Apresenta baixo custo. A escolha de um termopar, para um determinado servio, deve ser feita considerando todas as possibilidades variveis e normas exigidas pelo processo.Restries:

i. Limite mximo de utilizao em atmosfera oxidante de 760C devido rpida oxidao do ferro.

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ii. Utilizar tubo de proteo acima de 480C.

SOFTWARE DE AQUISIO DE DADOS (DATA LOGGER HP) 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.

INTRODUOREVISO BIBLIOGRFICAFUNDAMENTAO TERICAMODELO EXPERIMENTAL DESENVOLVIDOVALIDAO DOS RESULTADOSAPRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOSCONCLUSESREFERNCIAS BIBLIOGRFICASAPNDICE

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