O BJETO DE E STUDO

3 M

ETODOLOGIA

Mais precisamente na cidade de Itajaí, a empresa atua no campo da limpeza urbana, prestando serviços de coleta domiciliar, coleta seletiva, coleta de resíduos de serviços de saúde, implantação e operação de aterro sanitário, implantação e operação de autoclave, varrição, capinação mecanizada e serviços gerais de limpeza. No campo do saneamento, concede serviços de operação e manutenção dos sistemas de barragem, captação, recalque, adução, tratamento e distribuição de água e de esgotamento sanitário, serviços especiais e fornecimento de peças e materiais, (AMBIENTAL, 2014).

Figura 9 - Setor de tratamento térmico de resíduos de serviços de saúde.

Fonte: (AUTOR, 2014).

3.2 A

BORDAGENS

R

EFERENTES A

E

LABORAÇÃO DO

T

ROCADOR DE

C

ALOR 3.2.1 Software Utilizado no Projeto

O programa computacional utilizado para elaboração do trocador de calor tipo serpentinas helicoidais será o software COMSOL Multiphysics versão 4.4, que permite a modelagem e a simulação numérica de diversas condições físicas de escoamento e transferência de calor sobre a geometria projetada, para qualquer dimensão espacial e regime de tempo. As físicas que descrevem o problema de investigação são manipuladas pelo usuário em uma interface GUI, que possibilita a criação das geometrias de entrada do modelo em um ambiente CAD paramétrico.

3.2.1.1 Módulos

O software a ser utilizado trabalha com acoplamentos multifísicos na forma de módulos, ao qual resolvem simultaneamente problemas de pesquisa com características físicas em comum e complementares entre si. Para o presente trabalho, correspondem aos módulos de transferência de calor e de escoamento em condutos. Em primeira instância, o módulo de escoamento em condutos será utilizado para calcular variáveis hidrodinâmicas ao longo das geometrias analisadas. Em seguida, este mesmo módulo fazendo uso de acoplamento isotérmico, utilizará os resultados das simulações hidrodinâmicas e resolverá em conjunto com os módulos de transferência de calor em fluídos e sólidos, os problemas termodinâmicos em estudo.

3.2.1.1.1 Interfaces Físicas

As físicas que descrevem o comportamento transiente tridimensional do fluxo de água no interior do trocador de calor (Equações 20 à 30) são resolvidas através do balanço de momentum dentro das seções transversais dos tubos da serpentina, acoplando a equação da continuidade e sendo válido para qualquer regime de escoamento. As entradas do modelo são, a geometria da tubulação e os acessórios hidráulicos usados ao longo do trecho de captação, distribuição e descarte de água, as propriedades do conduto, que inclui, o tipo de seção transversal, o coeficiente de rugosidade do material e as perdas de carga existentes neste sistema. Em seguida, deve ser fornecido as propriedades do fluído, que inclui sua densidade e viscosidade dinâmica para uma dada temperatura e pressão. As condições de contorno para este problema em específico são a pressão sobre a geometria e a velocidade de entrada de água nos tubos, a força volumétrica ao qual a estrutura está submetida, além da pressão de saída do fluído para o meio externo de referência.

∂A𝜌

𝜕𝑡 ∇ ⋅ (A𝜌𝐮) = 0 (20) A =π𝑑_ℎ²

4 (21)

𝐮 =𝑄

A (22) 𝜌∂𝐮

𝜕𝑡 = − ∇p − 𝑓𝐷 𝜌

2𝑑_ℎ𝐮|𝐮| + 𝐅 (23)

∇p =1

2𝜌𝐾_𝑖𝐮² (24) p_𝑟 = p − 𝜌𝑔(𝑧₀− 𝑧) (25)

𝑓𝐷 = 8 [(8 Re)

12

+ (𝐴 + 𝐵)^−1,5]

1 12

(26) Re =𝜌𝐮𝑑_ℎ

μ (27)

𝐴 = [−2,457ln ((7 Re)

0,9

+ 0,27 (𝑒 𝑑_ℎ))]

16

(28) 𝐵 = (37530

Re )

16

(29)

𝐅 = ρ𝑔 (30)

A troca de calor realizada nas serpentinas será determinada utilizando simultaneamente os módulos de escoamento isotérmico em condutos e de transferência de calor em fluídos, para uma dimensão espacial tridimensional e regime de tempo transiente. As físicas que resolvem esse problema de pesquisa acoplam as equações utilizadas para calcular o escoamento de água dentro do trocador de calor (Equações 20 à 30) com as equações que regem a transferência de calor isotérmico neste sistema (Equações 31 à 50).

As entradas deste modelo, além das citadas anteriormente são, a temperatura da água de entrada nos tubos, a temperatura inicial ao qual a geometria está submetida, a temperatura do efluente nas paredes externas dos tubos, a espessura dessa parede, sua condutividade térmica, e a indicação do fluxo de saída de calor na geometria, além da definição dos filmes de resistência e condução térmica. Os resultados dessas simulações numéricas são por padrão, a distribuição da pressão, velocidade e temperatura do fluído analisado ao longo da geometria projetada.

𝜌A𝐶𝑝𝜕𝑇

𝜕𝑡 𝜌A𝐶𝑝𝐮 ∙ ∇𝑇 = ∇ ∙ A𝑘∇𝑇 + 𝑓𝐷 𝜌A

2𝑑_ℎ|𝐮|³+ Q (31)

A =π𝑑_ℎ²

4 (32) 𝐮 =𝑄

A (33)

𝑓𝐷 = 8 [(8 Re)

12

+ (𝐴 + 𝐵)^−1,5]

1 12

(34) Re =𝜌𝐮𝑑_ℎ

μ (35)

𝐴 = [−2,457ln ((7 Re)

0,9

+ 0,27 (𝑒 𝑑_ℎ))]

16

(36) 𝐵 = (37530

Re )

16

(37)

Q = ℎ𝑍(𝑇_ext− 𝑇) (38) −𝐧 ∙ (−𝑘∇𝑇) = ℎ(𝑇_ext− 𝑇) (39)

ℎ𝑍 = 2π

1

𝑟₀ℎ_𝑖nt+ 1

𝑟_𝑁ℎ_ext+ ∑ (

𝑙𝑛 ( 𝑟_n 𝑟_n− 1)

𝑘_n )

𝑁n=1

(40) 𝑍 = 𝜋𝑑_ℎ (41)

ℎ_𝑖nt= Nu_int 𝑘

𝑑_ℎ (42) Nu_{int (LAM)}= 3,66 (43)

Nu_{int (TUR)}= (𝑓𝐷

8 )(Re − 1000)Pr 1 + 12,7√𝑓𝐷

8 (Pr

2 3− 1)

(44) Pr = 𝐶𝑝μ

𝑘 (45)

ℎ_ext= Nu_ext 𝑘

𝑑_ℎ (46)

Nu_ext= (

0,6 + 0,387Ra¹⁶ (1 + 0,559

Pr¹⁶⁹ )

)

(47)

Ra = Pr Gr (48)

Gr =𝑔𝛽|∆𝑇|𝑑_ℎ³ (μ

𝜌)

2 (49)

𝛽 = −1 𝜌(𝜕𝜌

𝜕𝑇)|

p

(50)

Figura 10 - Coordenadas de referência do sistema de tubagem utilizado no modelo.

Fonte: (COMSOL, 2013b).

𝑤 = 𝑟 − 𝑟₀ (51)

∆𝑤_𝑛= 𝑟_𝑛− 𝑟_𝑛−1 (52) As perdas energéticas através do tanque de armazenamento de fluídos serão quantificadas utilizando o módulo de transferência de calor, para uma dimensão espacial bidimensional axissimétrica, em regime de tempo estacionário e com acoplamento para materiais sólidos.

As equações que descrevem essa relação física são as expostas a seguir, (Equações 53 à 60).

As entradas do modelo são, a geometria do tanque de armazenamento de fluídos, seus materiais construtivos e propriedades físicas, os pontos de simetria axial para sua revolução, a temperatura inicial ao qual toda a geometria está submetida, a indicação da camada de alta condutividade térmica e a espessura do material presente, as temperaturas do compartimento de armazenamento de água e de efluente, a indicação dos locais de dissipação convectiva de calor, o tamanho desses locais, a pressão e a temperatura externa do meio ambiente redutor de energia.

O resultado padrão dessa modelagem é a distribuição tridimensional de temperatura ao longo da geometria criada, porém, as perdas energéticas na superfície do equipamento serão calculadas, integrando-se o fluxo de calor ocorrido nas paredes de sua geometria.

𝜌𝐶𝑝𝐮 ∙ ∇𝑇 = ∇ ∙ 𝑘∇𝑇 + Q (53) −𝐧 ∙ (−𝑘∇𝑇) = 𝑑_𝑠Q_𝑠− ∇_𝑡∙ (−𝑑_𝑠𝑘_𝑠∇_𝑡𝑇) (54)

−𝐧 ∙ (−𝑘∇𝑇) = ℎ(𝑇_ext− 𝑇) (55)

ℎ = 𝑘 ∙ Nu̅̅̅̅̅_𝐿

𝐿 (56)

Nu_𝐿

̅̅̅̅̅ = 0,68 + 0,670Ra𝐿

1 4

[1 + (0,492 Pr )

9 16]

4 9

(57) Ra =𝑔𝛼∆𝑇ℎ³

𝜅𝜈 (58)

Pr = 𝐶𝑝μ

𝑘 (59) 𝐅 = (ρ − ρ_𝑟𝑒𝑓)𝑔 (60) A contabilização das perdas térmicas nas tubulações de entrada de condensado e vapor no trocador de calor, além de distribuição de água quente para a caldeira, será feita utilizando o módulo escoamento isotérmico em condutos (Equações 20 à 50), para as mesmas condições de contorno anteriormente citadas, dimensão espacial tridimensional e regime de tempo estacionário. O objetivo da simulação é determinar a variação de temperatura ao longo das tubulações, fato que possibilita avaliar a necessidade de instalação de isolantes térmicos. A quantificação das perdas de energia térmica através de suas paredes será feita por meio da integração de seu fluxo de calor superficial.

3.3 C

OLETA E

P

ROCESSAMENTO DOS

D

ADOS DE

E

NTRADA DO

M

ODELO 3.3.1 Características Geométricas

3.3.1.1 Formato

O trocador de calor proposto será constituído de duas partes principais, o tanque de armazenamento de fluídos e as serpentinas helicoidais de troca de energia térmica. O tanque terá um formato cilíndrico e será dividido em dois compartimentos, um para receber e armazenar água e outro para o efluente produzido no processo de autoclavagem, este modelo foi escolhido por ser o formato geométrico de menor área superficial, que alia características construtivas adequadas em termos de segurança e mão de obra especializada, reduzindo custos de fabricação por este fato e por necessitar de uma quantidade menor de matéria prima, além de proporcionar a redução das perdas energéticas em suas paredes (BIRD; STEWART; LIGHTFOOT, 2004).

Os tubos tipo serpentinas helicoidais por questões mercadológicas de facilidade de acesso serão constituídos de seções circulares. A geometria final do equipamento contará ainda, com duas aberturas no casco do tanque de armazenamento de fluídos, para inspeção e visita de cada compartimento, onde em casos de manutenções periódicas, seja possível a remoção de agentes incrustantes em suas paredes e de materiais sedimentados no fundo de sua estrutura. Por fim, o trocador de calor terá um suporte de fixação com o solo.

3.3.1.2 Dimensões dos Tubos Helicoidais

Os tubos tipo serpentinas helicoidais serão projetados de forma que as hélices sejam proporcionais ao volume interno do compartimento de armazenamento de efluente. O diâmetro dos tubos, raio, altura e espaçamento entre tubos das hélices, serão determinados ao satisfazer a condição acima. Já a espessura da tubulação utilizada, será escolhida com base na resistência mecânica do material usado para sua construção, ao qual deve resistir à pressão máxima de operação do equipamento. Além disso, a escolha levará em conta ainda, a espessura que proporcione a maior transferência de calor possível para as condições apresentadas.

O cálculo do volume dos tubos helicoidais se faz necessário pois estes produzem um volume extra que deve ser levado em conta e compensado na determinação das dimensões do tanque de armazenamento de fluídos. Para tanto, este valor será determinado com base na equação 61, considerando que os tubos a serem adotados terão seção circular como citado anteriormente e que a dilatação térmica volumétrica máxima do material, aquecido através do contato com o efluente, é pouco expressiva (ÇENGEL; BOLES, 2012).

∀_h = π r_h²c_h (61) O comprimento total dos tubos helicoidais será determinado utilizando a ferramenta de medição geométrica do software COMSOL Multiphysics versão 4.4, denominada “Measure”.

3.3.1.3 Dimensões do Tanque de Armazenamento de Fluídos

O tanque de armazenamento de fluídos será projetado para receber a água de alimentação da caldeira estacionária a vapor em um compartimento e uma mistura de efluente liquido e gasoso em outro recipiente interno. Sabe-se pelo manual da autoclave que sua necessidade e suporte máximo de vapor é de 180 kg por ciclo de esterilização, mas a caldeira produz em média 250 kg de vapor e armazena o excedente por questões de segurança, evitando choques térmicos que causem rupturas em sua estrutura física por meio de variações bruscas de pressão, promovendo além disso, uma produção contínua e rápida de vapor.

Com base nas informações acima, a capacidade de armazenamento livre do compartimento de água deverá ser igual ou superior ao volume referente a massa de 200 kg, prevendo-se um volume excedente que ficará retido nas tubulações hidráulicas de distribuição de água e garantindo o funcionamento constante da bomba hidráulica do sistema ao evitar a entrada de ar. Já o volume do recipiente de armazenamento da mistura de efluentes líquidos e gasosos deverá considerar a quantia máxima de efluente descartado e o volume dos tubos helicoidais. Ambos os compartimentos devem levar em conta ainda, que as expansões

térmicas de todos os materiais construtivos utilizados não influem expressivamente no volume de armazenamento final do equipamento.

A espessura do material utilizado para sua construção será definida com base em sua resistência mecânica, que deve suportar todas as pressões exercidas sobre a estrutura da geometria elaborada, além disso, deverá apresentar as menores perdas energéticas e o maior custo benefício para as condições especificadas. Por fim, as dimensões dos compartimentos de armazenamento de fluídos serão determinadas através do uso das equações 62 à 65.

∀_a= m_aV̇_a (62) ∀_e= m_eV̇_e+ ∀_h (63)

c_a= ∀_a

π r_a² (64) c_e= ∀_e

π r_e² (65)

A espessura das paredes do tanque de armazenamento de fluídos será determinada com base na metodologia proposta pela norma ASME, seção VIII, divisão I, que especifica uma série de parâmetros técnicos de projetos de vasos de pressão. A equações utilizadas são específicas para recipientes cilíndricos de pequena espessura, (Equações 66 e 67).

t = PR

SE − 0,6P+ C (66) PMTA = SEt_n R + 0,6tn

(67)

3.3.1.4 Materiais e Acessórios Construtivos

Os materiais construtivos do trocador de calor, propostos para o presente trabalho, serão escolhidos com base em uma série de propriedades e características que justifiquem seu uso no equipamento. Nas serpentinas helicoidais, o material deve possuir uma resistência mecânica que suporte sua operação, seja apropriado para condução de fluídos em altas temperaturas, seja um material normatizado, durável e passível de reciclagem, que possua boa resistência química e física contra corrosão, incrustação e agentes abrasivos, além de ser fácil de manusear e tenha um alto coeficiente de transferência de calor.

Para avaliação de compatibilidade química dos materiais a serem empregados no trocador de calor, serão realizados análises químicas no efluente resultante do processo de esterilização. Os parâmetros considerados nesse tipo de análise são, alcalinidade total, cloretos, dureza, pH, sólidos dissolvidos e sedimentáveis, além de oxigênio dissolvido.

Nas superfícies do tanque de armazenamento de fluídos será utilizado um material resistente aos efeitos de corrosão, de agentes incrustantes e abrasivos, que possua grande durabilidade e pequeno custo de manutenção, seja passível de reciclagem e ainda apresente um apelo estético de acabamento de produto. No interior das paredes deste tanque, será utilizado um isolante térmico resistente a altas temperaturas, que não propague chamas, possua boa capacidade de isolamento térmico e que justifique seu custo de aquisição.

No projeto do trocador de calor ainda será avaliado a necessidade de uso de componentes hidráulicas nas linhas de distribuição de água e efluentes, bem como o uso de sensores e dispositivos de automação aplicáveis no funcionamento e operação do equipamento.

3.3.1.5 Propriedades Físicas dos Materiais e Acessórios Construtivos

As propriedades físicas desses materiais, que são utilizadas no modelo numérico de simulação computacional de transferência de calor conjugado, serão extraídas da biblioteca de materiais do software COMSOL Multiphysics versão 4.4, tais dados possuem a característica de variarem seus valores em função da temperatura e pressão.

3.3.2 Características Hidráulicas e Termodinâmicas

3.3.2.1 Produção de Efluente

O efluente descartado na autoclave segue um fluxo em batelada e sua massa total é diluída na forma de condensado e vapor. O condensado é disposto em um tanque de resfriamento cilíndrico, de dimensões conhecidas, que possibilita aferir seu volume e massa final por ciclo de esterilização, associando a altura deste sobre as paredes do tanque. As equações 68 e 69, representam a associação descrita.

∀_c = π r_c²h_c (68) m_c= ∀_c ρ_c (69) A altura do efluente sobre as paredes do tanque de resfriamento de condensado, será aferida utilizando uma haste de madeira submersa nesse recipiente e uma trena de medição. Com relação ao vapor, este será quantificado conforme equação 70, que desconta da massa total de efluente, a quantidade de condensado.

m_v= m_e− m_c (70)

3.3.2.2 Vazão e Pressão nas Geometrias

A vazão de entrada ou saída dos fluídos nos diferentes componentes do trocador de calor e do sistema de esterilização da empresa em estudo, será determinado por aferição direta ou por observação das informações técnicas contidas em seus respectivos manuais.

A pressão exercida sobre o compartimento de armazenamento de água será a pressão dinâmica de saída de água quente das serpentinas helicoidais, calculada conforme equação 71. Já a pressão ao qual a estrutura do compartimento de armazenamento de efluente estará sofrendo, será a mesma pressão da autoclave em sua fase de secagem, considerando que não há variação expressiva desse parâmetro durante o processo.

P_D= (P₀+ ∆h − ∑ pc) f (71)

3.3.2.3 Temperatura dos Fluídos

O modelo numérico computacional utilizado para elaboração do trocador de calor, necessita de condições físicas de contorno para sua alimentação. A aferição da temperatura dos fluídos do sistema de autoclavagem é uma dessas condições, os respectivos valores serão coletados em campo com uso de termômetro digital.

A temperatura da água de alimentação da caldeira estacionária a vapor será aferida numa tubulação hidráulica ligada à sua linha de rede e a temperatura do efluente líquido resultante do processo será aferida no tanque de resfriamento de condensado. Já o efluente que sai da autoclave em estado de vapor, segue o caminho de uma chaminé até a atmosfera e sua temperatura será determinada, considerando a temperatura média de operação da autoclave e as perdas energéticas no sistema de transporte e descarte de vapor. A temperatura de mistura dos efluentes líquidos e gasosos, será determinada utilizando balanço de quantidade de calor, (Equação 72).

T_e= ^{mc Tc+ mv Tv}

m_c+ m_v (72) 3.3.2.4 Propriedades Físicas dos Fluídos

Os fluídos relacionados com o presente estudo compreendem a água de alimentação da caldeira estacionária a vapor e o efluente resultante do processo de autoclavagem. Suas propriedades físicas serão extraídas da biblioteca de materiais do software COMSOL Multiphysics versão 4.4, considerando que a água é o único fluído presente no equipamento.

Existe a consciência de que suas propriedades físicas diferem-se entre si na prática, porém é uma consideração adotada diante das limitações técnicas dos dados encontrados.

3.4 A

NÁLISE DE

V

IABILIDADE

E

CONÔMICA 3.4.1 Consumo de Combustível

Os dados de consumo de combustível serão utilizados para determinação das perdas energéticas do sistema de autoclavagem, questão necessária para análise de viabilidade econômica do projeto e para determinação do prazo de retorno de investimento com a aquisição do trocador de calor elaborado.

O consumo de combustível varia mensalmente de acordo com a demanda de esterilização dos resíduos de serviços de saúde. Os dados disponíveis referem-se ao abastecimento de gás e são organizados em planilhas para utilização nos relatórios mensais de custos da empresa. Tais dados compreendem informações referentes ao abastecimento mensal de combustível e o número de processos de esterilização realizados neste mesmo período, além de médias por ciclo de operação das características apresentadas. Esses dados correspondentes, serão coletados e organizados no modelo de tabela a seguir (Quadro 7):

Quadro 7 - Modelo de planilha para coleta de dados do consumo de GLP.

Mês N°

Ciclos

Abastecimento Mensal de GLP

[kg]

Consumo Médio Mensal de GLP

[kg/Ciclo]

Número Médio Mensal de Ciclos de Esterilização

[Ciclos/Mês]

- - - - -

Fonte: Autor, 2014.

3.4.2 Investimento Inicial

O investimento inicial de aquisição do trocador de calor projetado será determinado através do somatório de todos os custos com matéria prima e mão de obra especializada para sua fabricação, excluindo dessa análise, os custos de transporte, instalação, operação e manutenção periódica do equipamento na empresa.

Os dados de custos com materiais e acessórios construtivos, mão de obra especializada para fabricação do equipamento, entre outros custos incidentes em seu projeto, serão determinados através de orçamento com empresas que comercializem tais produtos e prestem os serviços mencionados.

3.4.3 Prazo de Retorno do Investimento

O prazo de retorno do investimento a ser feito com a aquisição do trocador de calor, será quantificado através da relação entre a economia de energia gerada por essa tecnologia em comparação a operação atual do sistema de autoclavagem da empresa em estudo. Essa amortização econômica será feita através das seguintes equações (Equações 73 à 80):

m_co−f=ṁ_v(h_v− h_aq) − ∑ Pe

η Pc (73) h_aq = h_af+ Δh_e (74)

Δh_e= h_eq− h_ef (75) Pe = Pp t_p (76)

η =m_pv(h_v− h_af)

m_co Pc (77) Ec = m_co−i− m_co−f (78)

E_$ = (Ec PC_$− ∑ Po t_d Pe_$) n°_p (79) n =

− log (1 −C_$∙ i E_$ )

log(1 − i) (80)

4 R

ESULTADOS E

D

ISCUSSÕES

No documento UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ (páginas 45-58)