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Um estudo sobre a recuperação de energia térmica em um ciclo de refrigeração combinado, onde a energia contida no condensado é reaproveitada para regenerar as rodas dessecantes. O texto aborda as leis de fourier e de carnot, os princípios de um ciclo de carnot, a transferência de calor por condução e convecção, e o cálculo do coeficiente de desempenho do ciclo de refrigeração. O documento também discute as principais propriedades do refrigerante e as equações que regem o cálculo de balanço de energia através dos resfriadores evaporativos.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CTC - Centro Tecnológico TCE - Escola de Engenharia TEM - Departamento de Engenharia Mecânica
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LEANDRO ALCOFORADO SPHAIER, Ph.D.
Data: 16 de Janeiro de 2019
RECUPERAÇÃO ENERGÉTICA EM UM PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CERVEJA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal Flu- minense, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador(es): LEANDRO ALCOFORADO SPHAIER, Ph.D.
Niterói 16 de Janeiro de 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CTC - Centro Tecnológico TCE - Escola de Engenharia TEM - Departamento de Engenharia Mecânica
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CTC - Centro Tecnológico TCE - Escola de Engenharia TEM - Departamento de Engenharia Mecânica
RESUMO
Este projeto consistiu no estudo de recuperação enérgetica de um processo de produção de cerveja, com ênfase na etapa de fervura. O estudo consiste na ideia de reaproveitar a energia térmica, contida no condensado, oriundo do processo de fervura, para ser utilizada como fonte de calor para regenerar as rodas dessecantes no ciclo de refrigeração combinado: Compressão Mecânica de Vapor e Dessecante com o objetivo de refrigerar câmaras frias para armazenamento de suco concentrado para a produção de refrigerante. Dessa maneira, inicialmente, o desenvolvimento desse estudo esteve baseado no dimen- sionamento do processo de fervura, com o objetivo de se calcular a quantidade de calor necessária para realizar a fervura do mosto Q f er v = 22,89 MJ. Posteriormente, com ob- jetivo de atender a demanda de uma grande cervejaria, dimensionou-se a câmara fria para armazenamento de 200 bombonas de suco concentrado a uma temperatura de 1◦C. A partir da definição das dimensões, das condições de contorno e dos materiais a serem utilizados, estimou-se a carga térmica do sistema, que contempla infiltração de ar, refrigeração de pro- dutos, transmissão a partir do meio externo, e de componentes elétricos. Com base nesta análise, obtém-se carga térmica de 2,02 kW para câmara fria com 8,58 m^2 instalada na ci- dade de Cachoeiras de Macacu, da qual a maior parcela de carga térmica é de resfriamento do produto, correspondente a 50,44 % da carga térmica total. A partir do conhecimento dos requisitos do sistema, define-se o ciclo de refrigeração combinado: compressão mecânica de vapor acoplado a um sistema dessecante. Dessa ma- neira, definiu-se que o fluido refrigerante a ser utilizado será o R-134A, operando sobre pressões controladas. Por fim, com a junção dos dois ciclos, obteve-se uma diminuiçãode 16 % do trabalho de compressão quando comparado, sob as mesmas condições, a um ciclo de refrigeração de compressão mecânica de vapor convencional.
Palavras-Chave: Cerveja. Refrigeração. Dessecante.Câmara Fria
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ABSTRACT
This project consisted in the study of energy recovery from a production process, with an emphasis on the boiling step.The study consists in the idea of reusing heat energy contai- ned in the condensate from the boiling process, to be used as heat source to regenerate the desiccant wheel combined refrigeration cycle: mechanical compression and Desiccant with the aim of cooling cold rooms for storage of juice concentrate for the production of soda. Initially, the development of this study was based on the design of the boiling process, with the purpose of calculating the amount of heat needed to carry out the boiling of the must Q f er v = 22,89 MJ. Subsequently, in order to meet the demand of a large brewery, the cold room was designed for the storage of 200 concentrated juice bottles at a temperature of 1 °C. Based on the definition of the dimensions, boundary conditions and materials to be used, the thermal load of the system was estimated, including air infiltration, product cooling, transmission from the external environment, and electrical components. Based on this analysis, a thermal load of 2.02 kW is obtained for a cold chamber with 8,58 m^2 installed in the city of Cachoeiras de Macacu, of which the largest share of the thermal load is cooling of the corresponding product to 50.44% of the total heat load. From the knowledge of the system requirements, the combined refrigeration cycle is de- fined: mechanical steam compression coupled to a desiccant system. In this way, it has been defined that the refrigerant to be used will be R-134A, operating under controlled pressu- res. Finally, at the junction of the two cycles, a 16% decrease in the compression work was achieved when compared, under the same conditions, to a conventional mechanical steam compression refrigeration cycle.
Key-Words: Beer. Refrigeration. Dessecant.Cold Room
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NOMENCLATURA
A área Ap área da porta Api so área do piso COP Coeficiente de performance D (^) f Fator de fluxo das portas. Dt Fator de tempo de abertura das portas. d E d tvc Taxa de variação de energia total do volume de controle
E Radiação e espessura do isolamento Ecn Radiação de corpo negro E R Efeito de refrigeração Fm Fator de densidade G Irradiação g Aceleração da gravidade h Entalpia hc Coeficiente de troca de calor por convecção hi Entalpia do ar de infiltração Hp Altura da porta hr Entalpia do ar refrigerado hr ad Coeficiente de troca de calor por Radiação k Condutividade térmica L Comprimento m Massa m^ ˙ Fluxo mássico N Número de aberturas de portas
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Ti nt Temperatura do interior da câmara Ts Temperatura da superfície Tvi z Temperatura da vizinhança T ∞ Temperatura distante da superfície U Coeficiente global de transferência de calor U R Umidade relativa V Velocidade v Volume específico V^ ˙ Vazão volumétrica Z Altura W Trabalho W^ ˙ cp Potência do compressor W^ ˙ vc Taxa de trabalho no volume de controle Símbolos Gregos η eficiência ∆ si st ema variação do sistema
1 INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO
A cerveja é um dos produtos mais importantes da indústria de alimentos e bebidas e sua origem pode ser estimada juntamente a origem dos povos e civilizações. Algumas evidências e registros de sua existência, produzida com malte de cevada, foram encontrados na região da Mesopotâmia e do Egito, aproximadamente 5.000 a.C. Acredita-se que foi descoberta por uma mulher, ou várias mulheres, e que elas desempenharam o ofício da produção até que os monges católicos passassem a produzí-la. A cerveja esteve presente na alimentação de povos sumérios, assírios, babilônicos, entre outros e, independente da imprecisão sobre a sua origem, pode-se dizer que ela tem sido fabricada há muitos séculos (Beltramelli, 2014). Os colonizadores portugueses não eram consumidores de cerveja, tendo em vista que o vinho era a bebida de maior consumo. A cerveja chegou ao Brasil, provavelmente no século XVII, com a colonização holandesa (1634-1654), pela Companhia das Índias Ocidentais. Com a saída dos holandeses em 1654, a cerveja deixou o país por um século e meio, só reaparecendo no final do século XVIII. Ao tempo da colônia, os portos brasileiros eram fechados aos navios estrangeiros, só tendo sido abertos após a chegada da família real portu- guesa em 1808. Assim, antes dessa data, a cerveja consumida no país, vinha contrabandeada, para o Recife, Rio de Janeiro e Salvador. A partir de 1808, inúmeros comerciantes estrangeiros, principalmente ingleses, instalaram- se no Brasil, fazendo vir da Europa, entre outros produtos, a cerveja. Nessas condições, é compreensível que a cerveja inglesa tenha dominado por longo tempo o mercado brasileiro, com a Porter e a Pale Ale, oriunda de Burton upon Trent, menos alcóolica. Apesar de não se poder datar com precisão o início da produção da cerveja no Brasil, o oficial alemão Carl Seidler encontrou no Rio Grande do Sul, imigrantes alemães com co- nhecimento para fabricar lucrativamente cerveja. Em 1846, há o registro da primeira fábrica cervejeira brasileira. Contudo, naquela época a produção era bastante rudimentar, quase ca- seira. Mesmo assim, pode-se notar a importância da bebida, uma vez que existia ao menos 18 fábricas de cerveja ao final da década de 1870 cuja produção ficava entre 8 e 10 milhões
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o que o faz ocupar a 12ª posição do ranking mundial, nas quais as primeiras posições estão os EUA (170 litros/habitante/ano), o México (146 litros/habitante/ano) e o Chile (127 litros habitante/ano), de acordo com dados do Euromonitor (2016). O baixo índice de litros de cerveja/habitante/ano quando comparados aos outros países, corresponde ao fato de que a cerveja ainda é cara para grande parte da população, consi- derando que o Brasil ainda é um país em desenvolvimento. Nesse sentido, uma parcela significativa do custo do produto se diz respeito ao gasto das empresas com energia, princi- palmente aquela ligada a refrigeração. Dessa maneira, grande parte desse projeto é encontrar alternativas, seja na forma de recuperação energética ou no aumento de eficiência, nos pro- cessos de produção de cerveja, para baratear o custo da produção de cerveja no Brasil e aumentar o consumo per capita. O ciclo de refrigeração mais comumente utilizado pela indústria ao redor do mundo é o ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor. Apesar de sua popularidade, estes ciclo possuem algumas desvantagens, como a grande quantidade de energia elétrica necessária para seu funcionamento além do fluido refrigerante ser prejudicial para o meio ambiente, pois tem, em geral, alto potencial de aquecimento global (ASHRAE, 2005). Ainda que a refrigeração através da compressão de vapor seja o modo mais tradicional de resfriamento na indústria, o ciclo de refrigeração dessecante ganha notoriedade por pro- porcionar o mesmo conforto em termos de temperatura e umidade, diminui a quantidade de energia gasta, além de atenuar os danos causados pelos fluidos refrigerantes ao meio ambi- ente. Estes ciclos utilizam rodas dessecantes que são constituídas de materiais adsorventes com alta afinidade com as moléculas d’água, sendo utilizadas para desumidificação do ar. Uma vez que ar seco está disponível, o efeito de refrigeração é proporcionado por umidifi- cação adiabática em resfriadores evaporativos Dessa maneira, esse estudo busca aprimorar os ciclos de refrigeração, afim de reaprovei- tar energia da etapa de fervura do processo de produção de cerveja que antes era desperdiçada e ser menos agressivo ao meio ambiente, porém propiciando o mesmo ganho em termos de conforto térmico de um ciclo de refrigeração tradicional.
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1.2 REVISÃO DA LITERATURA
O setor de fabricação de bebidas responde por aproximadamente 1,6% do Produto In- terno Bruto brasileiro, com um faturamento de 107 bilhões de reais em 2017, emprega cerca de 144 mil pessoas no mercado formal e a cada 1 real investido no setor, gera 2,5 reais investidos na economia, segundo dados da CERVBRASIL (2016). Devido importância e o potencial de crescimento do mercado cervejeiro, nos últimos anos estudos como o Cer- vieri Júnior et al. (2014), iniciaram com o objetivo de entender melhor o funcionamento do mesmo e também quais são as medidas a serem tomadas para aumentar o lucro. Dessa maneira, percebe-se que os maiores gastos em uma planta cervejeira, estão relacionados ao gasto em energia elétrica, especificamente em sistemas de refrigeração. Além disso, percebe- se que o mundo cervejeiro possui oportunidades para reaproveitamento energético. Uma das etapas do processo de produção de cerveja é a fervura do mosto. Ela tem como objetivo a estabilização da sua composição através da inativação das amilases e das proteases, causadoras da coagulação das proteínas, que se precipitam em flocos denominados "trubs". Outros efeitos da fervura do mosto são a aromatização, concentração e a esterilização, além da caramelização de alguns açúcares Borzani et al. (1993). A etapa da fervura é realizada utilizando uma caldeira a combustível fóssivel, mantendo a temperatura à 100◦C por um tempo entre 50 e 90 minutos com um gasto energético razoavelmente alto e com grandes perdas, visto que, o vapor de água gerado na fervura do mosto é jogado para o meio ambiente sem qualquer reaproveitamento. Dessa maneira, pode-se utilizar a energia, antes despejada deliberadamente para a atmosfera, em forma de calor do vapor para ser utilizado como calor regenerador das rodas dessecantes, as quais serão utilizadas para refrigerar uma câmara fria contendo bombonas para produção de refrigerante. Nos últimos anos surgiram inúmeros estudos acerca das diferentes utilizações de materi- ais adsorventes. Uma dessas aplicações pode ser o Ciclo de Refrigeração dessecante o qual consiste-se em uma alternativa frente ao CMV. Nesse sentido, inúmeros estudos acerca da modelagem das rodas dessecantes podem ser encontrados na literatura como nos trabalhos Nóbrega e Sphaier (2013). As rodas dessecantes contém materiais higroscópicos (com alta afinidade com vapor d’água), as quais, ao diminuir a umidade do vapor, facilita a compressão
