água (Fluido1), como o produto ou fluido “quente”, e o fluido térmico de transferência de calor, denominado como Fluido2 ou fluido “frio”, representado pela solução anti- congelante (SaC), também denominada como fluido base (FB), bem como pelo nanofluido (NF) produzido pela dispersão de nanotubos de carbono na concentração de selecionada na Etapa II (por exemplo: 0,5 % m/m).
O estudo da transferência de calor entre os fluidos exige a manutenção da temperatura de entrada no trocador de calor, por isso foram utilizados três tanques para cada fluido, conforme é mostrado na Figura 1. O primeiro tanque, TK(a), abriga o fluido aquecido por uma resistência elétrica e com temperatura controlada por um termostato instalado. O segundo tanque, TK(b), foi usado para depositar o fluido após passar pelo trocador de calor, com a finalidade de evitar o contato do fluido na temperatura do ensaio com o fluido que já passou pelo trocador de calor. O terceiro tanque, TK(c), abriga o fluido refrigerado, com interligação com um banho termostático para o controle da temperatura.
O Diagrama de processo e de instrumentação é mostrado na Figura 1, no qual as denominações seguidas de (1) indicam equipamento e instrumentos instalados na linha de fluido “quente” (água), já as denominações seguidas de (2) mostram os instrumentos e equipamentos instalados na linha de fluido “frio” (NF ou SaC). Os principais sensores são indicados como: Transmissor de temperatura (TT); Transmissor de pressão (PT); Transmissor diferencial de pressão (DPT) e transmissor de fluxo (FT), enquanto os equipamentos estão indicados como: Tanque frio [TK(c)]; Tanque quente [TK(a)];
Material e métodos Etapa III
Tanque de retorno [TK(b)]; Bomba (P), trocador de calor a placas (E 101); Trocador de calor de tubos concêntricos (E 102).
O circuito foi construído com uma derivação para ambas entradas dos trocadores de calor, possibilitando estudar a transferência de calor tanto em trocador a placas quanto em trocador de calor de tubos concêntricos, assim como operar tanto em co- corrente como em contra-corrente. Na linha de água, (Fluido 1), as conexões permitem o estudo do resfriamento da água em: - I) Trocador de calor a placas, pela abertura das válvulas: V1.1, V1.4A, V1.4B, V1.11 e concomitante abertura das válvulas do circuito de fluido frio (Fluido 2);:V2.3, V2.4A, V2.4B, V2.9; - II) Trocador de tubos concêntricos em cocorrente, pela abertura das válvulas: V1.1, V1.5, V1.7, V1.9, V1.11 e concomitante abertura das válvulas do circuito de fluido frio (Fluido 2): V2.3, V2.5, V2.6, V2.7 e V2.9; - III) Trocador de tubos concêntricos em contra-corrente, pela abertura das válvulas: V1.1, V1.5, V1.6, V1.8, V1.11 e concomitante abertura das válvulas do circuito de fluido frio (Fluido 2): V2.3, V2.5, V2.6, V2.7 e V2.9.
As vazões dos dois fluidos foram ajustadas por uma válvula agulha (Needle Valve), instalada na linha de retorno aos tanques, o que possibilitou o estudo da transferência de calor em diferentes vazões (para obtenção de variados Números de Reynolds), em diferentes temperaturas de entrada e diferenciais de temperatura entre os dois fluidos.
Os dados referentes às diferenças de pressão, temperaturas, vazões e consumos de energia elétrica das bombas foram coletados pelos sensores e armazenados em um sistema de aquisição de dados, no caso um computador, utilizando-se de uma plataforma SCADA da indusoft, que permite a sincronização dos dados com uma planilha de coleta de dados do Microsoft Acess. Os dados coletados em uma periodicidade de uma coleta para cada segundo foram tratados para fornecer o comportamento da quantidade de movimento, perda de carga por escoamento e transferência de calor em regime estacionário e não estacionário com uma frequência de obtenção de uma medida por segundo.
Considerando desprezível a perda de calor para o ambiente, obtem-se uma relação direta entre o calor trocado entre ambos fluidos pelas equações de balanço de massa e energia dispostos nas equações 2 e 3:
Material e métodos Etapa III
̅ ∆ ̅ ∆ (3)
Onde:
ṁ1E = vazão mássica de água (Fluido1) na entrada do trocador de calor [kg/h];
ṁ1S = vazão mássica de água (Fluido1) na saída do trocador de calor [kg/h];
ṁ1 = vazão mássica de água (Fluido1) na linha e dentro do trocador de calor [kg/h];
ṁ2E = vazão mássica de Fluido2 na entrada do trocador de calor [kg/h];
ṁ2S = vazão mássica de Fluido2 na saída do trocador de calor [kg/h];
ṁ2 = vazão mássica de Fluido2 na linha e dentro do trocador de calor [kg/h].
∆ = variação da temperatura do fluido1 da entrada para saída do trocador de calor [K]; ∆ = variação da temperatura do fluido2 da entrada para saída do trocador de calor [K].
A vazão mássica é obtida pela equação 4.
: (4)
Onde:
= vazão volumétrica de água (Fluido1- Medido experimentalmente pelo sensor de vazão1) [m3/h];
= Densidade da água (Obtida pelos dados tabelados na temperatura medida pelo sensor de temperatura situado próximo ao sensor de vazão1) [kg/ m3];
= vazão volumétrica do Fluido2 (Medido experimentalmente pelo sensor de vazão2) [m3/h]; = Densidade do Fluido 2 (Obtida pelos dados experimentais deste trabalho, na temperatura medida pelo sensor de temperatura próximo ao sensor de vazão2) [kg/ m3];
Para os ensaios de transferência de calor no trocador de calor de tubos concêntricos foram utilizados os sensores de temperatura TT107 e TT108 na entrada e saída do fluido 2, respectivamente, e os sensores TT208 e TT207 na entrada e saída do trocador do Fluido1 (água) em fluxo paralelo co-corrente.
Para os ensaios de transferência de calor no trocador de calor de placas, foram utilizados os sensores de temperatura TT103 e TT104 na entrada e saída do fluido 2, respectivamente, e os sensores TT203 e TT204 na entrada e saída do trocador do Fluido1 (água) em fluxo contra-corrente, conforme é mostrado na Figura 1. Já na Tabela 2 estão descritos os equipamentos utilizados.
Material e métodos Etapa III
Figura 1 Diagrama de processo e de instrumentação da bancada para ensaios de escoamento e de troca térmica com os trocadores de calor: a placas (E-101) e tubos concêntricos (E-102).
Material e métodos Etapa III
Tabela 2 Descrição dos modelos e características dos instrumentos e equipamentos utilizados na bancada experimental
Equipamento Marca Modelo Faixa de operação informações adicionais Quantidade
Circuito do Fluido 1
Bomba 1 Thebe Bombas TH - 16 NR TRIF 3500 RPM Rotor 125 mm 1
Sensor de vazão 1 Incontrol vms 019 a22040a1 0,1 a 10,2 m3/h 1
Banho de resfriamento POLYSCIENCE 9110 15 litros 1
Transmissores de temperatura Novus TxRail 4- 20 mA PT100 Calibrados na faixa de temperatura de -20 a 80°C estabilizador do sinal do PT100 7
Transmissor de pressão Novus NP 300 0 a 3 bar 0
Sensores diferenciais de pressão Huba control 5436 0 a 0,1 Bar 2
Circuito do Fluido 2
Bomba 2 Imbil BOMBA INI B 25150 G V08 ANSI B16.1 125 LB FF 1,50 CV
SELO MECANICO TIPO 21-1.3/4" - VITON MOTOR JM W22 PLUS 1,5 CV
3600RPM 4T 1,15 IP55 60HZ (90S) 1
Sensor de vazão Incontrol vms 025 b2204k+pro 0,1 a 17,6 m3/h 1
Banho de resfriamento POLYSCIENCE 9110 15 litros 3
Transmissores de temperatura Novus TxRail 4- 20 mA PT100 Calibrados na faixa de temperatura de -20 a 80°C estabilizador do sinal do PT100 7
Transmissor de pressão Novus NP 300 0 a 3 bar 3
Sensores diferenciais de pressão Huba control 5436 0 a 1 Bar 3
Equipamentos gerais
CLP HI tecnologia MCI02-QC 4 modulos de entrada analógica com o canais 1
Trocador de calor Placas GEA Ecobraze AB. M18 30 - L162 (-160 a 240 °C) 14 placas em conformação chevron, Volume interno 0,77 l e 0,83 l 1 Trocador de calor tubos
concentricos Construido no laboratório
Tubo interno - Cobre 1/2 Pol Tubo externo Tigre
Aquatherm 1 Pol
Comprimento do trocador de
Material e métodos Etapa III