Termodinâmica

Trabalho de Termodinâmica O trabalho consiste na avaliação do balanço de energia e de entropia para no mínimo quatro operações unitárias que deverão ser selecionadas pelo estudante Sugerese que os estudantes selecionem operações unitárias de acordo com o seu trabalho de mestrado eou conclusão de curso eou experiência profissional A avaliação será baseada na qualidade da apresentação e nas respostas dadas às perguntas feitas ao final de cada apresentação A apresentação terá tempo de 10 a 15 minutos e deverá conter as informações descritas a seguir 1 Apresentação do processo e equipamentos envolvidos O estudante deverá apresentar uma descrição preferencialmente contendo foto ou esquema simplificado do processo do processo e equipamentos envolvidos evidenciando os equipamentos selecionados para análise do balanço de energia e seu princípio de funcionamento 2 Análise do balanço de energia para as operações unitárias selecionadas Deverá ser apresentada a análise detalhada do balanço de energia para cada operação selecionada O estudante deverá avaliar quais termos do balanço de energia podem ser desprezados e quais devem ser mantidos para cada etapa do processo Todas as considerações devem ser justificadas Para fazer essa análise o estudante deve escolher o sistema de interesse e verificar quais as correntes de entrada e saída do equipamento 3 Estimativa do gasto energético do processo Deverá ser apresenta a estimativa do gasto energético de cada operação unitária envolvida no processo Essa estimativa deverá ser feita com base nas equações do balanço de energia simplificadas item 2 e com base nas propriedades termodinâmicas das correntes de entrada e saída de cada operação unitária Se necessário o estudante poderá realizar simplificações com relação à composição das correntes envolvidas no processo considerando que as correntes são compostas por substâncias puras 4 Análise do balanço de entropia para as operações unitárias selecionadas Deverá ser apresentada a análise do balanço de entropia para cada operação selecionada bem como o resultado do balanço e as conclusões processo possível impossível reversível ou irreversível Analise Termodinˆamica do Processo de Pasteurizacao Resumo Este trabalho apresenta uma analise termodinˆamica completa do processo de pasteurizacao HTST abordando balancos de energia e entropia para quatro operacoes unitarias distintas Os resultados demonstram a viabilidade termodinˆamica do processo com alta eficiˆencia energetica 1 Introducao O processo de pasteurizacao HTST High Temperature Short Time e amplamente utilizado na industria de laticınios para garantir a seguranca microbiologica do leite Esta analise foca na avaliacao termodinˆamica de quatro operacoes unitarias Trocador de calor de regeneracao Trocador de aquecimento final Mantenedor Trocador de resfriamento final 2 Dados do Processo m 2000 kgh 0 556 kgs Cp 4 18 kJkgK R 0 462 kJkgK 3 Balanco de Energia 31 Trocador de Regeneracao Tfrioin 4C 277 K Tfrioout 65C 338 K Tquentein 72C 345 K Tquenteout 20C 293 K hfrio Cp Tfrioout Tfrioin 4 18 65 4 254 98 kJkg hquente Cp Tquenteout Tquentein 4 18 20 72 217 36 kJkg Qfrio m hfrio 0 556 254 98 141 77 kW Qquente m hquente 0 556 217 36 120 85 kW 32 Trocador de Aquecimento Final Tin 65C 338 K Tout 72C 345 K h Cp Tout Tin 4 18 72 65 29 26 kJkg Qvapor m h 0 556 29 26 16 26 kW 1 33 Mantenedor Tin Tout 72C 345 K Δh 0 kJkg Q 0 kW 34 Trocador de Resfriamento Final Tin 20C 293 K Tout 4C 277 K Δh Cp Tout Tin 418 4 20 6688 kJkg Qagua ṁ Δh 0556 6688 3718 kW 4 Balanço de Entropia 41 Trocador de Regeneração ΔSfrio ṁ Cp ln Tfrioout Tfrioin 0556 418 ln 338 277 0456 kWK ΔSquente ṁ Cp ln Tquenteout Tquentein 0556 418 ln 293 345 0392 kWK ΔSsistema 0456 0392 0064 kWK ΔSvizinhanças 0 ΔSuniverso 0064 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 42 Trocador de Aquecimento Final ΔSleite ṁ Cp ln Tout Tin 0556 418 ln 345 338 0045 kWK ΔSvizinhanças Qvapor Tvapor 1626 393 0041 kWK ΔSuniverso 0045 0041 0004 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 43 Mantenedor ΔStemperatura 0 ΔSpressao ṁ R ln P2 P1 0556 0462 ln 4 5 0057 kWK ΔSuniverso 0 0057 0057 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 44 Trocador de Resfriamento Final ΔSleite ṁ Cp ln Tout Tin 0556 418 ln 277 293 0120 kWK ΔSvizinhanças Qagua Tagua 3718 278 0134 kWK ΔSuniverso 0120 0134 0014 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 5 Resultados e Discussao Tabela 1 Resumo dos Balancos de Energia e Entropia Parˆametro Regeneracao Aquecimento Mantenedor Resfriamento Tentrada C 4 65 72 20 Tsaıda C 65 72 72 4 h kJkg 25498 2926 0 6688 Q kW 14177 1626 0 3718 Ssist kWK 0064 0045 0057 0120 Sviz kWK 0 0041 0 0134 Suniv kWK 0064 0004 0057 0014 51 Analise de Eficiˆencia Energetica Energia sem regeneracao Qtotal 0 556 4 18 72 4 158 14 kW Energia com regeneracao Qvapor 16 26 kW Economia 158 14 16 26 158 14 100 89 7 52 Analise Econˆomica Simplificada Energia termica 16 26 kW 24 300 117072 kWhano Custo 117072 R0 20 R23414 40ano Energia eletrica 5 00 kW 24 300 36000 kWhano Custo 36000 R0 50 R18000 00ano CUSTO TOTAL R41414 40ano 6 Conclusoes 1 Processo Termodinamicamente Possıvel Todos os Suniverso 0 2 Processo Irreversıvel Todas as operacoes geram entropia 3 Alta Eficiˆencia Energetica Economia de 897 com regeneracao 4 Viabilidade Econˆomica Custo energetico anual de R 4141440 Respostas para Possıveis Questionamentos 1 Por que considerar o leite como agua Esta simplificacao e valida porque o leite possui aproximadamente 87 de agua em sua com posicao e as propriedades termodinˆamicas sao muito similares Para uma analise preliminar o erro introduzido e inferior a 5 2 O processo poderia ser reversıvel Nao pois existem irreversibilidades inerentes ao processo transferˆencia de calor com T finita queda de pressao por atrito fluidodinˆamico e mistura de fluidos a diferentes temperaturas 3 3 Onde esta a maior perda de eficiˆencia No trocador de regeneracao Suniv 0 064 kWK devido a grande diferenca de temperatura entre as correntes quente e fria 4 A regeneracao e essencial Sim a regeneracao reduz o consumo energetico de 15814 kW para apenas 1626 kW repre sentando uma economia de 897 Sem ela o processo seria economicamente inviavel 4 ANÁLISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO DE PASTEURIZAÇÃO RESUMO Este trabalho apresenta uma análise termodinâmica completa do processo de pasteurização HTST abordando balanços de energia e entropia para quatro operações unitárias distintas Os resultados demonstram a viabilidade termodinâmica do processo com alta eficiência energética 1 INTRODUÇÃO O processo de pasteurização HTST High Temperature Short Time é amplamente utilizado na indústria de laticínios para garantir a segurança microbiológica do leite Esta análise foca na avaliação termodinâmica de quatro operações unitárias Trocador de calor de regeneração Trocador de aquecimento final Mantenedor Trocador de resfriamento final 2 DADOS DO PROCESSO Vazão mássica 2000 kgh 0556 kgs ṁ Calor específico Cp 418 kJkgK Constante dos gases R 0462 kJkgK 3 BALANÇO DE ENERGIA 31 Trocador de Regeneração Tfrioentrada 4C 277 K Tfriosaída 65C 338 K Tquenteentrada 72C 345 K Tquentesaída 20C 293 K Δhfrio Cp Tfriosaída Tfrioentrada 418 65 4 25498 kJkg Δhquente Cp Tquentesaída Tquenteentrada 418 20 72 21736 kJkg Qfrio Δhfrio 0556 25498 14177 kW ṁ Qquente Δhquente 0556 21736 12085 kW ṁ 32 Trocador de Aquecimento Final Tentrada 65C 338 K Tsaída 72C 345 K Δh Cp Tsaída Tentrada 418 72 65 2926 kJkg Qvapor Δh 0556 2926 1626 kW ṁ 33 Mantenedor Tentrada Tsaída 72C 345 K Δh 0 kJkg Q 0 kW 34 Trocador de Resfriamento Final Tentrada 20C 293 K Tsaída 4C 277 K Δh Cp Tsaída Tentrada 418 4 20 6688 kJkg Qágua Δh 0556 6688 3718 kW ṁ 4 BALANÇO DE ENTROPIA 41 Trocador de Regeneração ΔSfrio Cp lnTfriosaídaTfrioentrada 0556 418 ln338277 ṁ 0456 kWK ΔSquente Cp lnTquentesaídaTquenteentrada 0556 418 ṁ ln293345 0392 kWK ΔSsistema 0456 0392 0064 kWK ΔSvizinhanças 0 ΔSuniverso 0064 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 42 Trocador de Aquecimento Final ΔSleite Cp lnTsaídaTentrada 0556 418 ln345338 0045 kWK ṁ ΔSvizinhanças QvaporTvapor 1626393 0041 kWK ΔSuniverso 0045 0041 0004 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 43 Mantenedor ΔStemperatura 0 ΔSpressao R lnP2P1 0556 0462 ln45 0057 kWK ṁ ΔSuniverso 0 0057 0057 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 44 Trocador de Resfriamento Final ΔSleite Cp lnTsaídaTentrada 0556 418 ln277293 0120 ṁ kWK ΔSvizinhanças QáguaTágua 3718278 0134 kWK ΔSuniverso 0120 0134 0014 kWK 0 PROCESSO IRREVERSÍVEL 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Parâmetro Regeneração Aqueciment o Mantenedor Resfriamento Tentrada C 4 65 72 20 Tsaída C 65 72 72 4 Δh kJkg 25498 2926 0 6688 Q kW 14177 1626 0 3718 ΔSsist kWK 0064 0045 0057 0120 ΔSviz kWK 0 0041 0 0134 ΔSuniv kWK 0064 0004 0057 0014 TABELA 1 RESUMO DOS BALANÇOS 51 Análise de Eficiência Energética Energia sem regeneração Qtotal 0556 418 72 4 15814 kW Energia com regeneração Qvapor 1626 kW Economia 15814 162615814 100 897 52 Análise Econômica Simplificada Energia térmica 1626 kW 24 hdia 300 diasano 117072 kWhano Custo 117072 R 020 R 2341440ano Energia elétrica 500 kW 24 300 36000 kWhano Custo 36000 R 050 R 1800000ano CUSTO TOTAL R 4141440ano 6 CONCLUSÕES 1 Processo Termodinamicamente Possível Todos os ΔSuniverso 0 2 Processo Irreversível Todas as operações geram entropia 3 Alta Eficiência Energética Economia de 897 com regeneração 4 Viabilidade Econômica Custo energético anual de R 4141440 RESPOSTAS PARA POSSÍVEIS QUESTIONAMENTOS 1 Por que considerar o leite como água Esta simplificação é válida porque o leite possui aproximadamente 87 de água em sua composição e as propriedades termodinâmicas são muito similares Para uma análise preliminar o erro introduzido é inferior a 5 2 O processo poderia ser reversível Não pois existem irreversibilidades inerentes ao processo transferência de calor com ΔT finita queda de pressão por atrito fluidodinâmico e mistura de fluidos a diferentes temperaturas 3 Onde está a maior perda de eficiência No trocador de regeneração ΔSuniv 0064 kWK devido à grande diferença de temperatura entre as correntes quente e fria 4 A regeneração é essencial Sim a regeneração reduz o consumo energético de 15814 kW para apenas 1626 kW representando uma economia de 897 Sem ela o processo seria economicamente inviável