Projeto Fenômenos de Transporte. Sistema de Rápido Resfriamento

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CENTRO UNIVERSITÁRIO FEI 
 
 
 
 
 
 
 
Sistema de rápido resfriamento 
 
 
 
 
 
Erica Nijenhuis Lima 11.215.428-1 
Júlia Galluzzi Scott 15.115.180-0 
Rafaela Orlando Olivieri 11.215.417-4 
Alice Albanes Kanbara 11.115.694-9 
João Carlos Arantes 11.115.326-8 
 
 
Professor Dr. Luís Fernando Novazzi 
 
 
 
 
 
 
 
 
São Bernardo do Campo – SP 
2017 
 
 2 
Sumário 
 
1. OBJETIVO ............................................................................................................ 3 
2. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 3 
2.1. Cuba de acrílico ............................................................................................................... 3 
2.2. Isolante térmico da cuba .................................................................................................. 4 
2.3. Eixo de rotação ................................................................................................................ 5 
2.3. Fluido refrigerante ...................................................................................................... 6 
2.4. Sistema de Refrigeração. ............................................................................................ 7 
2.5. Suporte para a lata de refrigerante .............................................................................. 8 
3. HIPÓTESES .......................................................................................................... 9 
4. CONDIÇÕES OPERACIONAIS ........................................................................ 10 
4.1. Coeficiente convectivo ................................................................................................. 10 
4.2. Coeficiente de convecção livre ...................................................................................... 11 
4.3. Tempo de resfriamento da lata ................................................................................. 12 
4.4. Custos Operacionais ................................................................................................. 12 
5. RESULTADOS ................................................................................................... 13 
5.1. Coeficiente convectivo .................................................................................................. 13 
5.2. Coeficiente de convecção livre ...................................................................................... 13 
5.3. Tempo de resfriamento da lata ...................................................................................... 14 
5.3.1 Coeficiente global .................................................................................................... 14 
6. DISCUSSÕES ..................................................................................................... 15 
7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS .................................................... 15 
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 16 
 
 
 
 3 
1. OBJETIVO 
 
O objetivo deste projeto é propor um sistema de troca de calor (sistema de resfriamento) 
rápido, considerando e colocando em prática os conceitos vistos em aula como, por exemplo, 
a transferência de calor por convecção forçada e natural, conceitos de termodinâmica química 
e propriedades coligativas. 
 
2. MATERIAIS E MÉTODOS 
 
Para o projeto, foi tomado como modelo o Microwave Cooler, um equipamento inglês 
que funciona como um microondas “invertido”, gelando a bebida instantaneamente a partir do 
movimento do fluido em torno da bebida a ser resfriada. 
O diferencial do protótipo que será apresentado está em um sistema de refrigeração 
instalado no próprio aparelho e também na vida útil desse material. 
 
2.1. Cuba de acrílico 
 
Para a construção da cuba externa do protótipo foi escolhido o acrílico, pois este 
apresenta diversas vantagens. O material é leve e um excelente isolante térmico em 
comparação aos demais materiais. 
Suas dimensões serão feitas em comparação com a lata de refrigerante e o motor 
instalado, todos dentro da cuba. A espessura do acrílico adquirida será de 2 mm. 
As dimensões da lata de refrigerante estão apresentadas na tabela a seguir: 
 
Tabela1 - Dimensões da lata de refrigerante e da cuba de acrílico. 
 
 Lata de Refrigerante 
Parte superior 
(ocupada pelo 
fluido e a lata) 
Cuba externa 
Diâmetro (cm) 6 15 15 
Altura (cm) 12,5 25 35 
 
 4 
Figura 1 - Vista lateral, frontal e vista interna com divisórias - cotas em centímetros. – 
Protótipo 
 
 
2.2. Isolante térmico da cuba 
 
Para que o fluido dentro da cuba permaneça em uma temperatura desejável para o 
resfriamento da lata de refrigerante, foi aderido a ela um isolante térmico, com a finalidade de 
se obter o resfriamento com uma pequena variação de temperatura. 
O isolante utilizado foi o Duralfoil da marca Gib do Brasil, que ameniza em até 95% 
da radiação térmica que atinge o material, leve, atóxico e laminado refletivo, que ajuda 
impedir a absorção do calor, uma vez que ele dificulta a entrada de radiação. Esse isolante 
será colocado na parte interna da cuba. Para a proteção do isolante, foi utilizado mais uma 
camada de acrílico. 
Serão utilizados 20 cm² de isolante térmico, para cobrir toda a cuba de acrílico. 
 
Figura 2 - Isolante Térmico Duralfoil - Gib do Brasil 
 
 5 
2.3. Eixo de rotação 
 
A convecção forçada é o método mais eficaz de troca de calor, tendo o fluido em 
constante movimento. Para isso foi utilizado um motor com um agitador para a movimentação 
da mistura água e etanol. 
O agitador utilizado foi a Turbina Rushton, da marca Jongia, cujas pás são adequadas 
para a agitação de fluidos poucos viscosos e com alta velocidade, gerando agitação central. 
Para que a mistura dentro da cuba não transborde, o motor dimensionado deverá 
apresentar uma rotação adequada para que os a rotação não seja muito intensa. 
O motor utilizado no protótipo será o IG32 -12VDC Angle, da marca Shayang Ye 
Industrial Co., Ltd, que apresenta uma rotação de 220 rpm, e atende as condições do projeto. 
 
 
Figura 3 - Motor IG32 - 12VDC Angle 
 
 
 
Figura 4 - Vista técnica do Motor IG32 - 12VDC Angle. 
 
 
 6 
Figura 5 - Turbina Rushton com fluido em movimento (simulação). 
 
 
 
 
 
Figura 6 – Vista lateral da Turbina Rushton com o Motor IG32 - 12VDC Angle.- Protótipo 
 
 
 
 
2.3.Fluido refrigerante 
 
O fluido refrigerante utilizado foi a água, pois apresenta baixo custo e fácil acesso. A 
água é um fluido que apresenta um grande coeficiente convectivo, ou seja, a troca de calor é 
eficiente. Entretanto, ao utilizá-la como fluido refrigerante, a probabilidade de ocorrer o 
congelamento é grande, pois esta estará constantemente sendo resfriada durante o processo. 
 7 
Dessa forma, foi resolvido misturar outro fluido, o etanol, um álcool que ao ser 
adicionado à água, dissolve as pontes de hidrogênio devido à polaridade das duas substâncias. 
Quando se diminui a temperatura gradualmente, as moléculas da água tendem a 
organizar-se na rede cristaliza típica do gelo. Com a adição do álcool essa organização será 
dificultada, levando à redução do ponto de congelamento da água. 
O etanol é um álcool de fácil acesso, de baixo custo e, segundo a literatura, para que 
este abaixe o ponto de congelamento de água a proporção indicada é de 0,25 mL de álcool 
para cada 1 mL de água. 
 
 
Volume total da cuba 
(L) 
Volume ocupado pelo 
fluido(L) 
Quantidade de água 
utilizada (L) 
Quantidade de etanol 
utilizado (L) 
6,2 4,5 3 0,75 
 
É importante ressaltar que para uma maior segurança, após a lata de refringente passar 
pelo processo de resfriamento é recomendado que esta fosse lavada para o posterior consumo. 
A água utilizada no sistema de refrigeração deve ser trocada com frequência, pois a 
lata de refrigerante pode proliferar micro-organismos, contaminando a água. 
 
2.4. Sistema de Refrigeração. 
 
Para que a mistura água mais etanol dentro da cuba fique em uma temperatura baixa 
para que ocorra a troca de calor é preciso resfriá-la. Dessa forma será instalado um pequeno 
sistema de refrigeração que ficará acoplado à cuba. 
O sistema de refrigeração eletrônico utilizado, baseia-se na instalação de um kit de 
sistema Peltier 12V, sendo este constituído por uma pastilha termoelétrica Peltier, dois 
dissipadores de calor, dois coolers, duas pastas térmicas e um isolador de térmico. 
Através uma corrente de alimentação controlada, a pastilha possui a capacidade de 
resfriar objetos, atuando como um sistema de refrigeração. Ao ligar a pastilha junto à fonte, 
observa-se o começo do resfriamento do fluido. 
Acoplado a pastilha há um dissipador de calor na placa para a realização de processo, 
já que estará sendo produzido calor. 
A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de peças móveis, 
tornando preciso o controle de temperatura, sem o uso de gás refrigerante, a ausência barulho 
Tabela 2 – Quantidade de água e álcool utilizada no projeto. 
 8 
e vibração, além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão. O kit de sistema Peltier 
12V utilizada no protótipo foi da marca TD TEC. 
 
Figura 7 - Kit sistema de refrigeração Peltier – TD TEC. 
 
 
 
 
Figura 8 - Vista lateral da cuba com o sistema de refrigeração – Protótipo 
 
 
2.5. Suporte para a lata de refrigerante 
 
Para que a lata de refrigerante possa ser resfriada, desenvolveu-se um suporte na 
tampa da cuba que permitirá a segurança da lata, impedindo seu movimento junto ao fluido. 
Inspirado no suporte de latas que existem nos automóveis, da marca Multilaser 
AU306, o aparelho possui um fino aro circular que tem como finalidade “abraçar” o corpo da 
 9 
lata, e também um apoio inferior que permitirá que a lata permaneça em pé. Nessa parte do 
apoio, há três hélices que ajudam na movimentação do fluido e, assim, na refrigeração da lata. 
Tanto as latas de cerveja como de refrigerantes (350 ml), podem ser utilizadas no 
processo de refrigeração, pois ambas se encaixam perfeitamente no suporte, porém, já latas de 
cerveja do tipo “latão” de 550 ml, não serão possíveis serem refrigeradas. 
Para a confecção do aparelho, foi usado um material de plástico resistente, pois este 
não sofrerá danos quando em contato com o fluido esteja ele em movimento ou estagnado e 
também não deteriorará a lata utilizada. 
 
Figura 9 – Suporte da lata de refrigerante 
 
 
3. HIPÓTESES 
 
 Etanol utilizado somente para abaixar o ponto de congelamento da água. 
 A água inicialmente está a 0ºC devido a um sistema frigorífero instalado no 
cilindro. 
 Volume de controle utilizado: a lata de refrigerante. 
 Temperatura da superfície da lata de bebida: 25ºC. 
 Rotação do motor utilizado: 220 rpm. 
 Espessura da lata desprezível. 
 Temperatura final do refrigerante: 8ºC. 
 10 
4. CONDIÇÕES OPERACIONAIS 
 
Para uma melhor análise do projeto foram feitos cálculos e suposições para determinar a 
velocidade do fluido e seu coeficiente convectivo, o tempo necessário para o resfriamento e o 
custo final do projeto. 
O equacionamento foi divido em 3 etapas com o objeto de deixar mais claro o raciocínio 
utilizado, no qual serão apresentados a seguir. 
 
4.1. Coeficiente convectivo 
 
As propriedades da água a 12,5ºC (temperatura de filme), e do refrigerante (maior 
parte composto por água) a 16,5ºC listadas a seguir foram retiradas do livro “Fundamento de 
Transferência de Calor e Massa” INCROPERA – 7º Edição. Tabela A.6, página 540. 
 
 
 
 
 Número de Reynolds. 
𝑅𝑒 =
𝜌 .𝑣 .𝐷
µ
 
Sendo apresentado em função da massa específica (𝜌), velocidade do fluido (𝑣 ), 
diâmetro da lata (D), viscosidade dinâmica (µ). Para a velocidade, como foi adotado uma 
rotação de 220 rpm, assim foi calculada a velocidade. 
 
1 rpm = 2π/60 rad/s = 0,104719755120 rad/s 
 v = w.r, onde v é a velocidade linear, w é a velocidade angular e r é o raio da lata. 
 
 Número de Prandtl 
Valor obtido através de tabelas para o fluido utilizado. 
Propriedades Água (a 285 K) Refrigerante (a 290 K) 
𝜌 (kg/𝑚3) 1000 999 
Cp (J/kg.K) 4188 4184 
k (W/m.K) 0,598 0,598 
Pr 8,65 7,56 
µ (N.s/𝑚2) 1,225 . 10−3 1,080.10−3 
β (𝐾−1) 114,1 . 10−6 174 . 10−6 
Tabela 3 – Propriedades da água retiradas na temperatura de filme. 
 11 
 Nusselt. 
Para o valor de Nusselt foi utilizada a correlação de Churchill Bernstein, relacionando 
o número de Reynolds e Prandt, para um escoamento turbulento. 
 
𝑁𝑢𝐷 = 0,3 +
0,62 . 𝑅𝑒
1
2 . 𝑃𝑟
1
3
[1 + (
0,4
𝑃𝑟)
2
3
]
1
4
[1 + (
𝑅𝑒
282000
)
5
8
]
4
5
 
 
A partir do valor de Nusselt foi possível encontrar o coeficiente convectivo (ℎ). 
Lembrando que a condutividade térmica na equação de Nusselt é a condutividade do fluido. 
 
ℎ =
𝑁𝑢𝐷 . 𝑘
𝐷
 
 
4.2. Coeficiente de convecção livre 
 
Como a lata está em repouso, o fluido contido nela está quiescente, ou seja, além de 
haver convecção forçada no lado exterior da lata, tem-se a convecção natural no interior da 
lata. 
Para o cálculo do coeficiente convectivo livre, foram utilizados os números de 
Grashof, Rayleigh e Nusselt. As correlações que existem para o Nusselt não se adequam ao 
volume de controle adotado (cilindro vertical). Neste caso, foi utilizada a correlação de uma 
placa vertical. 
 
 Grashof 
𝐺𝑟𝐿= 
𝑔.𝛽.(𝑇𝑠−𝑇∞).𝐿
3
(
µ
𝜌⁄ )
 
Sendo β coeficiente de expansão térmica, que foi retirado da tabela A6, página 464 5° 
Edição – INCROPERA. (Apresentado na tabela 3). 
 
 Rayleigh 
𝑅𝑎𝐿 = 𝐺𝑟𝐿 . 𝑃𝑟 
 
 12 
 Nusselt 
Para um escoamento turbulento: 
𝑁𝑢𝐿 =
{
 
 
 
 
 0,825 +
0,387𝑅𝑎𝐿
1
6
[1 + (
0,492
𝑃𝑟 )
9
16
]
8
27
}
 
 
 
 
2
 
 
ℎ = 
𝑁𝑢𝐿. 𝑘
𝐿
 
 
4.3. Tempo de resfriamento da lata 
Para o cálculo do tempo, foi realizado um balanço de energia no volume de controle. 
 
−𝑈𝐴(𝑇 − 𝑇∞) = 𝜌𝑉𝑐𝑝
𝑑𝑇
𝑑𝑡
 
 
4.3.1. Coeficiente Global 
Como temos dois tipos de coeficientes convectivos, foi necessário o cálculo do 
coeficiente global (U). 
U = 
1
∑𝑅𝑒𝑞
 
 
4.4. Custos Operacionais 
 
 Prevendo o custo do projeto, foram pesquisados os preços de todos os itens utilizados 
no protótipo. Abaixo estão listados os produtos e suas respectivas marcas. 
Tabela 4 - Orçamentos dos equipamentos utilizados no projeto 
 
Produto Marca Preço 
Rolo Duralfoil Gib do Brasil R$ 48,90 
Turbina Rushton Jongia R$ 780,00 
IG32 -12VDC Angle 
Shayang Ye Industrial Co., 
Ltd 
R$ 129,71 
Kit Refrigeração 12V TD TEC R$ 85,90 
Porta bebidas automotivo Multilaser AU306 R$ 10,29 
Cuba de acrílico + chapa de 
divisória 
- R$72,00 
Etanol 70% ZULU R$4,50 
 
 O preço final do projeto calculado foi de R$1.131,30. 
 13 
5. RESULTADOS 
 
Após apresentar as equações que serão utilizadas, a seguir serão apresentados os cálculos 
que darão sustentabilidade no projeto. 
 
 5.1. Coeficiente convectivo 
Utilizando as propriedades da tabela 3, foram calculadosos valores dos adimensionais 
abaixo. 
 
 Reynolds 
 
n = 220 rpm w = 23 rad/s v = 0,69 m/s 
𝑅𝑒 =
𝜌 .𝑣 .𝐷
µ
= 3,44 . 104 (turbulento) 
 
 Nusselt 
𝑁𝑢𝐷 = 0,3 +
0,62 . 𝑅𝑒
1
2 . 𝑃𝑟
1
3
[1 + (
0,4
𝑃𝑟)
2
3
]
1
4
= 230,37 
 
𝑁𝑢𝐷 =
ℎ . 𝐷
𝑘
 → ℎ = 2296 𝑊/𝑚2𝐾 
 
5.2. Coeficiente de convecção livre 
 
 Grashof 
 
𝐺𝑟𝐿= 
𝑔.𝛽.(𝑇𝑠−𝑇∞).𝐿
3
(
µ
𝜌⁄ )
 = 7,88. 106 
 
 Rayleigh 
𝑅𝑎𝐿 = 𝐺𝑟𝐿 . 𝑃𝑟 = 6,815 . 10
7 
 
 
 
 14 
 Nusselt 
 
𝑁𝑢𝐿 =
{
 
 
 
 
 0,825 +
0,387𝑅𝑎𝐿
1
6
[1+(
0,492
𝑃𝑟
)
9
16]
8
27
}
 
 
 
 
2
 = 55,75 
 
ℎ = 
𝑁𝑢𝐿.𝑘
𝐿
 = 555,67 W/𝑚2. 𝐾 
 
 
5.3. Tempo de resfriamento da lata 
 
5.3.1 Coeficiente global 
 
U = 
1
∑𝑅𝑒𝑞
 = 447,39 Ω−1 
 
Desenvolvendo o balanço de energia, obtém-se o valor do tempo: 
 
−𝑈𝐴(𝑇 − 𝑇∞) = 𝜌𝑉𝑐𝑝
𝑑𝑇
𝑑𝑡
 
 
t = 159,6 s = 2,6 min 
 
 15 
6. DISCUSSÕES 
 
O objetivo principal do trabalho era o resfriamento de uma lata de refrigerante em um 
curto intervalo de tempo e, a partir dos cálculos realizados, o objetivo foi concluído com 
êxito, já que o tempo estimado foi de 2,6 minutos. 
Entretanto, o protótipo feito para tal resfriamento, apresentou um custo muito elevado 
(R$1.131,30.), o que o torna pouco acessível. 
As dificuldades ao longo do projeto foram em assumir hipóteses coerentes para a 
resolução do problema proposto, na escolha dos materiais do protótipo devido a possíveis 
degradações do mesmo, como também no dimensionamento das máquinas utilizadas no 
processo. 
Com esta proposta foi possível colocar em prática conceitos vistos somente em teoria, o 
que nos fez compreender e aprimorar as habilidades na criação de protótipos, 
equacionamentos, busca de dados e hipóteses tomadas ao longo do trabalho. O grupo adquiriu 
experiência com situações cotidianas de um engenheiro. À medida que os problemas foram 
surgindo ao longo da elaboração do projeto, os mesmos foram bem solucionados de forma 
lógica. 
7. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS 
 
Para trabalhos futuros podem ser pesquisado novos materiais para a construção da cuba e 
possíveis soluções para retirar o kit de refrigeração. 
Outra sugestão é a movimentação da lata de refrigerante em seu próprio eixo, além do 
movimento do fluido, para assim aumentar o valor do coeficiente convectivo, melhorando a 
troca de calor. 
 
 
 
 16 
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
 
(1) WIKIPÉDIA, Convecção forçada. Disponível em 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Convec%C3%A7%C3%A3o_for%C3%A7ada> 
(Acesso em 14/10/2017) 
 
(2) UOL, Anticongelantes. Disponível em 
<https://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/anticongelantes-liquidos-de-
arrefecimento-e-aditivos.htm> (Acesso em 30/10/2017) 
 
(3) GORONAH, Novo micro-ondas consegue em 45 segundos. Disponível em 
<http://goronah.blog.br/2013/acessorios/novo-microondas-consegue-gelar-sua-
cerveja-em-45-segundos > Acesso em: 05/11/2017 
 
(4) EHOW Brasil. Como funciona um compressor de refrigerador? Disponível 
em<http://www.ehow.com.br/funciona-compressor-refrigerador-como_55304/> 
Acesso em: 05/11/2017 
 
(5) UNICAMP, Agitação. Disponível em 
<http://www.unicamp.br/fea/ortega/aulas/aula14_Agitacao.pdf> Acesso em: 
05/11/2017 
 
(6) DIRECT INDUSTRY, Jongia. Disponível 
em<http://www.directindustry.com/pt/prod/jongia-nv/product-104055-
1694311.html> Acesso em: 05/11/2017 
 
(7) REFRIGRAÇÃO NET, Refrigeração Eletrônica. Disponível em 
<http://www.refrigeracao.net/Topicos/refrigeracao_eletronica.htm> Acesso em: 
11/11/2017 
 
(8) USINAINFO, Pastilha Termoeletrica. Disponível em: 
<https://www.usinainfo.com.br/outros-produtos/pastilha-termoeletrica-peltier-
temperaturas-de-30-a-70-c-tec1-12706-2938.html> Acesso em: 11/11/2017 
 17 
(9) LEROY MERLIN, Rolo Durafoil. Disponível em 
<https://www.leroymerlin.com.br/rolo-duralfoil-multi2-10m2-1,3x8m-gib-do-
brasil_89366844?gclid=CjwKCAiA3JrQBRBtEiwAN7cEGowx6e8S_fsDHikaPIIYU
T06AlKylDJYQe73W1VhVaFMMamEtRUIDBoCpjAQAvD_BwE> Acesso em: 
11/11/2017. 
(10) PREMIER SHOP, Porta bebida das Multilaser. Disponível em 
<https://www.premiershop.com.br/porta-bebidas-automotivo-multilaser-
au306.html?gclid=CjwKCAiA3JrQBRBtEiwAN7cEGli7coCbwKPEcuy_ntVNGT_A
AZ7-IOw-c094RvMz4zMYsq86-Y9dShoCWF8QAvD_BwE> Acesso em: 
11/11/2017