Transcript
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
1. Trocadores de calor “As indústrias de processos utilizam em grande escala a transferência de energia na forma de calor para diversas atividades” 1.1. Transferência de calor: Molecular: a transferência de calor é dada pela ação das moléculas; é o que se chama de condução; Turbulento: a transferência de calor por um processo de misturação; é o que se chama usualmente de convecção; Emissão: a transferência de calor se dá pela emissão e absorção de energia (ondas eletromagnéticas), sem o contato físico. 1.2. O que é trocador de calor? São equipamentos utilizados no aquecimento ou resfriamento de fluídos pelo contato térmico, ou seja, a transferência de energia térmica (calor) entre duas fases, sem o contato físico. 1.3. Trocadores de calor tubulares: São os tipos de trocadores mais simples encontrado nas indústrias; São constituídos por dois tipos concêntricos, com um dos fluídos escoando pelo tubo central enquanto o outro flui em corrente paralela, ou contracorrente no espaço anular; Apresenta baixo rendimento devido ao comprimento de cada seção de tubos, ou seja, para uma troca térmica apreciável, será necessários vários conjuntos de trocadores; Não é restrita apenas a troca térmica entre dois líquidos, mas também para sistemas gás-líquido e gás-gás; Qualquer um dos fluidos pode escoar na parte externa ou interna dos condutos, devendo apenas estar em velocidades elevadas para melhorar o processo de troca térmica. 1.4. Trocadores de casco e tubo:
1
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
Recomendado quando a área de troca térmica é grande, conseguindo-se excelentes taxas de troca de maneira econômica e prática; Podem ser classificados de acordo com os números de “passes” apresentados no equipamento. O mais simples é o que possui apenas um “passe”; O escoamento paralelo em todos os tubos e a baixa velocidade contribuem para coeficientes de transmissão de calor baixos e pequenas quedas de pressão; Para uma melhor troca térmica é necessário que se adote trocadores de calor que operem com múltiplos passos, o que aumenta a velocidade do fluído e a troca de calor; As
grandes
desvantagens
são
as
despesas
de
fabricação
dos
equipamentos, e as perdas na entrada e saída dos distribuidores. 1.5. Trocadores de calor de superfície ampliada São utilizados quando a troca térmica entre dois fluidos é prejudicada pela elevada resistência térmica de um deles; Alguns exemplos são o aquecimento do ar por vapor de água ou no aquecimento de um óleo muito viscoso; Para compensar a elevada resistência desses fluidos a superfície de troca térmica exposta pode ser aumentada pela extensão da superfície propriamente dita como por exemplo a adição de aletas à superfície externa dos tubos. 1.6. Trocadores de calor à placas
Figura 1. Diferentes modelos de trocadores de calor à placas.
2
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
São utilizados quando se necessita uma troca térmica bastante eficiente devido a sua grande área de troca térmica; São montadas em séries de placas metálicas que promovem um contato maior entre os dois fluídos de modo que cada fluído escoe por um dos lados da placa sem haver contato entre eles. 1.7. Trocadores de calor com serpentina São equipamentos de baixo rendimento de troca térmica, indicados nos casos em que a temperatura entre os fluídos não seja grande; Consiste de um tubo em forma de serpentina localizado dentro de tanques por onde circula o fluído de troca térmica; Equipamento de elevada manutenção devido à espessura do tubo interno e a corrosão.
Figura 2. Trocador de calor com serpentina. 1.8. Trocadores de camisa São equipamentos muito utilizados em fábricas de alimentos, principalmente na produção de derivados lácteos; São constituídos de uma cinta metálica localizada ao redor do tanque que está armazenado os fluídos no qual se deseja efetuar a troca de calor. 1.9. Trocador de calor de casco e tubos Trocador de calor de casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (contracorrente).
3
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
Figura 3. Trocador de calor casco e tubos. a) Um passe no casco e dois passes nos tubos. b) Dois passes no casco e quatro passes nos tubos.
Figura 4. Feixe tubular com tubos espiralados (alto rendimento térmico).
4
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
1.10. Transmissão de calor no processamento térmico de alimentos 1.10.1. Propriedades térmicas dos alimentos Calor específico: é a quantidade de calor ganha ou perdida com o objetivo de obter uma mudança de temperatura por unidade de peso do sistema.
𝑄 𝑚 . ∆𝑇
∁ = C = calor específico; Q = quantidade de calor (cal, Joule); m = massa do sistema (g, kg);
∆T = variação da temperatura provocada (°C, K). → Pode ser medida a pressão constante ou a volume constante: Cp ou Cv. 1.11. Fatores que influenciam o calor específico: Composição do alimento; Teor de umidade: ↑ umidade → ↑ Cp; Temperatura; Pressão → Cp > Cv. Observação:
LATENTE
→ Temperatura constante muda à fase.
Calor (Q) → Não há mudança de fase: muda a SENSÍVEL
temperatura.
Q Latente → Q = *ctle . m (* calor latente de fusão ou vaporização).
5
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
Q Sensível → Q = m . C. ∆T Se houver mudança de fase durante o processo: QTOTAL = Q Lat + Q Sens 1.12. Diagrama de fases de uma substância pura
O diagrama de fases da água permite avaliar o estado físico de uma amostra de água em função da pressão e da temperatura a que está submetida. Esse diagrama também permite prever como pressão e/ou temperatura podem ser alteradas a fim de provocar mudanças de estado físico numa amostra de água. (Os eixos de pressão e de temperatura não estão em escala.). 1.13. Interpretação Considere o diagrama de fases da água ilustrado abaixo. Uma amostra de gelo, a 1 atm e a −18°C, temperatura típica de um freezer, é representada pelo ponto (A). Se essa amostra for deixada em um ambiente a 1 atm e 25°C, irá sofrendo gradual aquecimento, tendo sua situação modificada ao longo da linha horizontal tracejada. Ao chegar ao ponto (B), acontecerá à fusão do gelo.
6
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
Durante a fusão, a temperatura da amostra permanecerá constante em 0°C. Completada a fusão da amostra, o aquecimento continuará, até ser atingido o ponto (C), que corresponde a água líquida, a 1 atm e 25°C. Nesse ponto, a amostra estará na mesma temperatura do ambiente e,portanto, em equilíbrio térmico com ele. Se, a seguir, essa amostra de água líquida for gradualmente aquecida, ela continuará tendo a sua situação modificada ao longo da linha horizontal tracejada e entrará em ebulição quando for atingido o ponto (D), a 1 atm e 100°C. Durante o tempo que durar a ebulição, a temperatura permanecerá constante em 100°C. Terminada a ebulição, se o vapor for mantido em um sistema fechado, a 1 atm de pressão, e o aquecimento continuar, será atingido, por exemplo, o ponto (E), que representa vapor de água, a 1 atm e 120°C. Se procedêssemos de forma inversa, resfriando o vapor de água do ponto (E) até o ponto (A), ocorreria a condensação do vapor em (D). E o líquido proveniente dessa condensação iria se solidificar no ponto (B). O diagrama de fases da água corresponde a um modo simples de expressar como a pressão e a temperatura influenciam as mudanças de fase dessa substância. Já estamos em condição, por exemplo, de usar esse diagrama para ter uma visão de conjunto dos resultados experimentais (1) a (8), apresentados no início do capítulo. As setas mostradas no diagrama de fases ilustrado abaixo, à esquerda, representam os resultados experimentais (1) a (4). Em cada um dos casos, a amostra de água está submetida a um valor diferente de pressão, que se mantém constante durante o aquecimento. Nesses processos, a ebulição ocorre quando se cruza horizontalmente a linha que separa as regiões de
7
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
líquido e vapor. E esse cruzamento, como se pode perceber, ocorre em diferentes valores de temperatura. Na prática, uma situação como (1), ocorre dentro de uma panela de pressão, que é projetada para reter parte do vapor de água, produzindo um aumento da pressão interna e, conseqüentemente, um aumento da temperatura de ebulição da água. (esse aumento da temperatura da água fervente acelera o cozimento dos alimentos e torna, portanto, a panela de pressão mais rápida e econômica.) Situações como (3) e (4) ocorrem em locais cuja altitude seja superior ao nível do mar, pois neles a pressão atmosférica é menor que ao nível do mar. Como regra geral, à medida que nos dirigimos para localidades de maior altitude, constatamos que a temperatura de ebulição da água diminui graças à redução da pressão ambiente. Os resultados (5) a (8) são representados pelas setas no diagrama de fases ilustrado abaixo, à direita. Esses processos referem-se à ebulição da água provocada por redução de pressão, a temperatura constante. Perceba que, em cada um desses quatro casos, o cruzamento da linha que separa água líquida do vapor de água ocorre em uma diferente pressão, o que é decorrente do fato de, em cada caso, a amostra de água ser mantida a uma diferente temperatura.
1.14. Pressão de vapor de um líquido
Considere um sistema fechado no qual haja água líquida em equilíbrio com vapor de água, como o esquematizado a seguir.
8
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
O equilíbrio entre a fase líquida e a fase vapor pressupõe que extensão de cada uma delas permaneça constante, ou seja, que a velocidade de vaporização seja igual à de condensação.
A pressão medida nesse sistema, denominada pressão de vapor da água, é a pressão que, nessa temperatura, corresponde à situação de coexistência (isto é, existência simultânea) de água líquida e vapor de água. Com uma montagem experimental como essa foram obtidos os valores de pressão de vapor da água em várias temperaturas. Alguns desses valores aparecem na tabela 1, ao lado. Se elaborarmos um gráfico da pressão de vapor da água em função da temperatura, o que iremos obter nada mais é do que a curva que, no diagrama de fases da água, separa a região de água líquida da região de vapor de água.
9
Ciência e tecnologia de laticínio – UEMG – FRUTAL – MG 7 ° Período – Tecnologia de produtos lácteos, concentrados e desidratados: Unidade I
Verifica-se, experimentalmente, que a pressão de vapor de uma substância, numa dada temperatura, não depende do volume e do formato das fases líquidas e vapor que estão em equilíbrio.
10
