TCC VANESSA FERREIRA 291715 CERTO

vanessa

29/09/2021

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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA
CAMPUS DE JOAÇABA
ÁREA DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIAS - ACET
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

VANESSA FERREIRA

Projeto de um sistema térmico para aquecimento de água através da combustão de
pellet de biomassa

Joaçaba
2020
2

VANESSA FERREIRA

Projeto de um sistema térmico para aquecimento de água através da combustão de
pellet de biomassa

Dimensionamento térmico de um sistema
para aquecimento de água através da
combustão de pellet de biomassa no
Curso de Engenharia Mecânica, Área das
Ciências Exatas e Tecnológicas da
Universidade do Oeste de Santa Catarina,
como requisito para conclusão do
Trabalho de Conclusão de Curso

Professor orientador do componente curricular: Prof. Cristiano Meneghini, M. Eng.

Joaçaba
2020
VANESSA FERREIRA

Projeto de um sistema térmico para aquecimento de água através da combustão de
pellet de biomassa

Dimensionamento térmico de um sistema para
aquecimento de água através da combustão de
pellet de biomassa no Curso de Engenharia
Mecânica, Área das Ciências Exatas e
Tecnológicas da Universidade do Oeste de Santa
Catarina, como requisito para conclusão do
Trabalho de Conclusão de Curso.

Aprovado em, 27 de Outubro de 2020.

BANCA EXAMINADORA:

_______________________________________
CRISTIANO MENEGHINI
Prof. Orientador
Universidade do Oeste de Santa Catarina

_______________________________________
GUIDO WILLIAN NAVIA VALÉRIO
Prof.
Universidade do Oeste de Santa Catarina

_______________________________________
JOAO HENRIQUE BAGETTI
Prof.
Universidade do Oeste de Santa Catarina
4

Dedico este trabalho primeiramente a Deus
pois sem Ele nada seria possível, a minha
família, meu noivo e amigos que sempre me
apoiaram. Graças a eles, aprendi valores que
me fizeram lutar sempre pelos meus sonhos
e objetivos e que com Graça de Deus fossem
alcançados, sem jamais desanimar.
5

AGRADECIMENTOS
Sou grata a Deus por sempre estar ao meu lado, e que através do Espírito Santo pude
sempre permanecer firme na caminhada.
Agradeço ao professor Cristiano por toda orientação e dedicação que teve para que
este trabalho fosse concluído.
Ao professor Douglas Zaions pela sua dedicação e comprometimento com a
coordenação do Curso de Engenharia Mecânica.
Á minha família por serem meu alicerce sempre me apoiar e me ensinar valores que
me traziam forças para nunca desistir.
Ao meu noivo Luan Cezar Ribeiro da Silva que me acompanha nesta jornada e me
ajudou a sempre buscar fazer o melhor.
Aos professores, pela dedicação.
Aos meus amigos, pelo incentivo, amizade e companhia nos momentos de estudo.
A todos que, de uma forma ou outra, colaboraram para que este trabalho fosse
realizado com êxito.

"E a esperança não engana. Porque o amor de
Deus foi derramado em nossos corações pelo
Espírito Santo que nos foi dado."
Romanos, 5 - 5

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1. Triângulo de fogo ...................................................................................... 18
Figura 2. Principais processos de conversão em energéticos. .................................. 23
Figura 3. Categorias quanto à alimentação de pellet. .............................................. 28
Figura 4. Queimador a pellet com alimentação inferior. .......................................... 29
Figura 5. Queimador a pellet com alimentação inferior. .......................................... 29
Figura 6. Queimador a pellet com alimentação horizontal ....................................... 30
Figura 7. Queimador a pellet com alimentação horizontal. ...................................... 31
Figura 8. Lareira a pellet ........................................................................................... 32
Figura 9. Boiler a pellet. ........................................................................................... 33
Figura 10. Queimador de pellet adaptável. ............................................................... 33
Figura 11. Queimador a pellet instalado a um trocador de calor ar/ar...................... 34
Figura 12. Fluxograma Planejamento de Produto .................................................... 45
Figura 13. Fluxograma Projeto informacional ......................................................... 46
Figura 14. Fluxograma Projeto preliminar. .............................................................. 47
Figura 15. Fluxograma Projeto detalhado. ............................................................... 47
Figura 16. Fluxograma Planejamento de pesquisa. ................................................. 48
Figura 17. Escopo do sistema de aquecimento ......................................................... 71
Figura 18. Características dos materiais combustíveis ............................................. 73
Figura 19. Tabela Termodinâmica ............................................................................ 83
Figura 20. Taxa de carregamento indicadas por algumas fornalhas em operação ... 85
Figura 21. Diagrama 01 ............................................................................................ 88
Figura 22. Organização dos tubos no espelho .......................................................... 89
Figura 23. Corpo do trocador de calor ...................................................................... 99
Figura 24. Organização dos tubos no espelho ........................................................ 100
Figura 25. Conjunto final ........................................................................................ 101

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Principais características dos pellets .................................................................... 25
Tabela 2. Parâmetros usados na Áustria e Suécia (GARCIA et al, 2017) .......................... 26
Tabela 3. Parâmetros usados na Alemanha e Estados Unidos ............................................ 26
Tabela 4. Diagrama de Gant ................................................................................................ 56
Tabela 5. Matriz de apoio ao levantamento das necessidades dos clientes ......................... 60
Tabela 6. Necessidades dos clientes .................................................................................... 62
Tabela 7. Matriz de apoio a conversão dos requisitos de usuário em requisitos de projeto.
.............................................................................................................................................. 64
Tabela 8. Necessidades dos clientes .................................................................................... 66
Tabela 9. Necessidades dos clientes .................................................................................... 67
Tabela 10. Composição química da lenha ........................................................................... 74
Tabela 11. Valores normalmente indicados para o coeficiente de excesso de ar ................ 76
Tabela 12. Composição química do aço ASTM A-36....................................................... 103
Tabela 13 - ASTM A-178 ................................................................................................... 104
Tabela 14 – Tabela de Custos ............................................................................................. 106

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 01 ...........................................................................................................................72
Equação 02 ......................................................................................................................... 73
Equação 03 .......................................................................................................................... 74
Equação 04 ........................................................................................................................... 75
Equação 05 ........................................................................................................................... 76
Equação 06 ........................................................................................................................... 77
Equação 07 ........................................................................................................................... 77
Equação 08 ........................................................................................................................... 78
Equação 09 ........................................................................................................................... 79
Equação 10 ........................................................................................................................... 80
Equação 11 ........................................................................................................................... 81
Equação 12 ........................................................................................................................... 81
Equação 13 ........................................................................................................................... 82
Equação 14 ........................................................................................................................... 82
Equação 15 ........................................................................................................................... 84
Equação 16 ........................................................................................................................... 85
Equação 17 ........................................................................................................................... 85
Equação 18 ........................................................................................................................... 86
Equação 19 ........................................................................................................................... 87
Equação 20 ........................................................................................................................... 87
Equação 21 ........................................................................................................................... 87
Equação 22 ........................................................................................................................... 88
Equação 23 ........................................................................................................................... 90
Equação 24 ........................................................................................................................... 90
Equação 25 ........................................................................................................................... 91
Equação 26 ........................................................................................................................... 93
Equação 27 ........................................................................................................................... 93
Equação 28 ........................................................................................................................... 93
Equação 29 ........................................................................................................................... 94
Equação 30 ........................................................................................................................... 94
Equação 31 ........................................................................................................................... 95
10

Equação 32 ........................................................................................................................... 95
Equação 33 ........................................................................................................................... 96

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 15
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO ............................................................................................ 15
1.2 PROBLEMA DE PESQUISA ..................................................................................... 15
1.3 JUSTIFICATIVA ........................................................................................................ 16
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................ 16
1.5 OBJETIVOS ................................................................................................................ 17
1.5.1 Objetivo Geral ........................................................................................................... 17
1.5.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 17
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 18
2.1 PRINCÍPIOS DA COMBUSTÃO ................................................................................. 18
2.2 BIOMASSA ................................................................................................................. 20
2.2.1 Tipos De Biomassa..................................................................................................... 20
2.2.2 Combustão Da Biomassa ........................................................................................... 21
2.3 BIOCOMBUSTÍVEL DA MADEIRA - PELLET ...................................................... 23
2.3.1 Propriedade dos Pellets .............................................................................................. 24
2.3.2 Normas Utilizadas para Padronização e Caracterização de Pellets ............................ 25
2.3.3 Mercado De Pellets ....................................................................................... 26
2.4 QUEIMADORES .......................................................................................... 27
2.4.1 Tipos de Queimadores ................................................................................... 27
2.4.1.1 Queimador de alimentação inferior .................................................................. 28
2.4.1.2 Queimador de alimentação horizontal .............................................................. 29
2.4.1.3 Queimador de alimentação superior ................................................................. 31
2.5 TROCADORES DE CALOR ......................................................................... 34
2.5.1 Trocadores de Calor Casco e Tubo .................................................................. 35
2.5.2 Trocador de Calor de Placas ........................................................................... 38
2.5.3 Trocador de Calor Adiabático ......................................................................... 38
2.5.4 Trocador de Calor de Placas Aletadas .............................................................. 39
2.5.5 Trocador de Calor de Fluido ........................................................................... 39
2.5.6 Unidade de Recuperação de Calor de Resíduos ................................................. 39
2.5.7 Trocadorde Calor de Superfície Raspada Dinâmico .......................................... 40
2.6 ANÁLISE DE TROCADOR DE CALOR .................................................................. 40
2.6.1 Análise de Trocador de Calor por Média Logarítmica ....................................... 41
12

2.6.2 Análise de Trocador de Calor pelo Método da Efetividade Nut ................................ 41
3 METODOLOGIA APLICADA ............................................................................. 42
3.1 MÉTODO DE PESQUISA ....................................................................................... 43
3.2 PROCEDIMENTO PARA AQUISIÇÃO, ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DE
DADOS ................................................................................................................................ 43
3.3 PLANEJAMENTO DE PRODUTO .......................................................................... 44
3.4 PLANEJAMENTO DE PROJETO ............................................................................ 45
3.4.1 Projeto Informacional ............................................................................................... 45
3.4.2 Projeto Conceitual .................................................................................................... 46
3.4.3 Projeto Preliminar ..................................................................................................... 46
3.4.4 Projeto Detalhado ..................................................................................................... 47
3.5 PLANEJAMENTO DE PESQUISA .......................................................................... 48
3.5.1 Fase I - Planejamento de Pesquisa ............................................................................. 48
3.5.2 Fase II – Revisão Bibliográfica .................................................................................. 49
3.5.3 Fase III – Resultados e Discuções .............................................................................. 50
3.5.4 Fase IV – Documentação do Projeto e Socialização dos Resultados ......................... 51
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 52
4.1 PLANEJAMENTO DO PRODUTO .......................................................................... 52
4.1.1 Análise do Mercado e Viabilidade ........................................................................... 52
4.1.2 Análise das Tecnologias e Concorrentes .................................................................. 53
4.1.3 Análise do Consumidor e Estimativa do Valor do Produto ...................................... 53
4.1.4 Descrição dos Requisitos .......................................................................................... 53
4.1.5 Planejamento do Projeto ........................................................................................... 54
4.2 PROJETO INFORMACIONAL ................................................................................ 57
4.2.1 Etapa I – Identificação do Problema de Projeto ....................................................... 57
4.2.2 Identificação da Demanda ........................................................................................ 58
4.2.3 Identificação do Ciclo de Vida do Produto ............................................................... 58
4.2.4 Levantamento das Necessidades do Cliente ............................................................. 62
4.2.5 Requisitos de Projeto ................................................................................................ 63
4.2.6 Especificação de Projeto de Produto ........................................................................ 66
4.3 PROJETO CONCEITUAL ........................................................................................ 68
4.3.2 Elaboração da Matriz Morfológica ............................................................................ 68
4.3.3 Princípios de Decisão ................................................................................................. 70
4.4 PROJETO PRELIMINAR ......................................................................................... 71
13

4.5 DIMENSIONAMENTO E CÁLCULOS DO SISTEMA .......................................... 72
4.5.2 Poder Calorífico Superior E Poder Calorífico Inferior ............................................. 72
4.5.3 Cálculo De Massa Estequiométrica De Ar ............................................................... 74
4.5.4 Cálculo De Volume Estequiométrico De Ar ............................................................ 75
4.5.5 Cálculo De Massa De Ar .......................................................................................... 76
4.5.6 Cálculo de Massa Estequiométrica de Gás e da Massa de Gás no Interior da
Fornalha ................................................................................................................................ 77
4.5.7 Cálculo do Calor Líquido na Câmera de Combustão ............................................... 78
4.5.8 Cálculo de Temperatura dos Gases ........................................................................... 79
4.5.9 Cálculo da Vazão Mássica de Combustível .............................................................. 80
4.5.10 Cálculo do Volume da Câmera de Combustão ......................................................... 84
4.5.11 Cálculo da Área da Grelha ........................................................................................ 84
4.5.12 Rendimento Térmico ................................................................................................ 85
4.6 DIMENSIONAMENTO DO TROCADOR DE CALOR ........................................ 86
4.6.1 Cálculo da Temperatura de Entrada dos Gases ........................................................ 86
4.6.2 Configuração do Trocador de Calor ......................................................................... 88
4.6.3 Cálculo da Velocidade do Ar ao Entrar no Trocador de Calor ................................. 89
4.6.4 Cálculo de Energia Disponível no Trocador de Calor .............................................. 91
4.6.5 Cálculo de Energia Disponível no Trocador de Calor .............................................. 92
4.6.6 Cálculo do Coeficiente Externo de Convecção ........................................................ 94
4.6.7 Cálculo do Coeficiente Global de Transferência de Calor ....................................... 96
4.7 PROJETO DETALHADO ........................................................................................... 97
4.7.1 Modelamento Geométrico ........................................................................................ 98
4.7.2 Manufatura ............................................................................................................... 101
4.7.3 Custos ....................................................................................................................... 105
4.7.4 Manutenção do Trocador de Calor ........................................................................... 106
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 108
REFERÊNCIAS ............................................................................................................... 109
APÊNDICE A - Procedimento de fabricação trocador de calor casco tubo ...................... 111
APÊNDICE B – Prancha de projeto....................................................................................116
ANEXO A - Diagrâmas ...................................................................................................... 119
ANEXO B – Classificação das formas construtivas de trocadores de calor do tipo casco tubo
de acordo com a Norma TEMA..........................................................................................12614

RESUMO

A realidade do mercado e a necessidade de se ter um sistema barato e eficiente, que ao mesmo
tempo seja um sistema sustentável e que não agrida o meio em que vivemos. Para atender as
necessidades e acompanhar o mercado, visando também a necessidade da empresa que está
inserida no mercado de massas industrializadas, localizada no meio oeste catarinense, se
pensou em um projeto de aquecimento através de um queimador de pellets e um trocador de
calor, usando como combustível uma biomassa que muitas vezes é jogada fora pelos
madeireiros. O projeto irá compor um sistema que terá trocador de calor casco tubo de um
passe, dimensionado pela equipe de projeto, que aquecerá a água que está na temperatura
ambiente de 25ºC até uma temperatura de 95ºC, necessária para aquecer estufas que hoje são
aquecidas através de resistências elétricas. Utilizando os cálculos de dimensionamento
térmico chegou-se ao resultado que será necessário 45,18 kg/h de pellets para aquecer 2000
l/h através da combustão, visando perder a menor quantidade de calor para a atmosfera; um
volume de 0,54 m³ para a câmara de combustão, um trocador de calor com 95 tubos,
absorvendo cerca de 60,72 kW tendo como eficiência do equipamento em torno de 72%. O
trocador foi dimensionado através do método DTML modelo matemático usado para
dimensionar o trocador de calor.

Palavras-chave: Biomassa. Combustão Queimador de Pellets. Trocador de calor.

1 INTRODUÇÃO

Este capítulo aborda os aspectos iniciais referentes à apresentação do tema abordado.
Destaca-se uma breve introdução, seguida pelo objetivo geral e específicos, justificativa e
breve descrição das obras acompanhadas.
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO

Com resultado de várias pesquisas de campo tem-se a informação que as indústrias,
hospitais, hotéis e até redes domiciliares estão em busca de uma fonte renovável de energia
para gerar vapor ou somente aquecer a água, visando reduzir o consumo de energia e
consequentemente o valor agregado para este consumo.
Os queimadores hoje em dia não servem só como alimentação de caldeiras ou de pré-
aquecedores, mas um novo conceito vem sendo exposto que coloca o queimador como
equipamento primário de fornecimento de calor, assim tendo uma câmara de combustão que
será abastecida por pellets de biomassa resíduos gerados das grandes madeireiras. Os pellets
de biomassa são um combustível consideravelmente barato, sendo este um dos principais
motivos da sua escolha para esse estudo.
O queimador necessita de um trocador de calor que possa passar o calor para água e
elevar a temperatura da água assim deixando própria para o uso. Para suprir a demanda é
necessário mais que tecnologia e mão de obra capacitada de operação do equipamento.
Atendendo aos requisitos de redução de custo, eficiência entre outros se faz necessária a
compreensão do sistema de aquecimento ou de geração de vapor, conhecer todo o processo
para evitar falhas de operação e custos desnecessários.
Um dos maiores objetivos é o ganho de produtividade, eficiência e economia no
processo desde o processo mais complexo até o mais simples.
1.2 PROBLEMA DE PESQUISA

Uma ampla concorrência vem exigindo com que as empresas estejam em busca de
alta produtividade e que os meios sustentáveis sejam utilizados, pois o grande número de
cobranças e valorização deste mercado vem aumentando.
A empresa de massas industrializadas, localizada no Meio-Oeste Catarinense, tem um
processo produtivo que necessita elevar a temperatura da água de 25ºC para 95ºC e mantê-
16

la aquecida. A água do processo referido é usada para aquecimento de estufas de massas,
sendo que hoje a empresa utiliza um sistema por resistência elétrica que acaba tendo um gasto
de energia paga exacerbado.
O presente estudo visa, através do projeto de um sistema, solucionar o problema de
aquecer e manter a água aquecida na faixa de 95ºC. Além disso, está sendo visado os custos
do sistema e a utilização de um combustível bio renovável.
Neste sentido a utilização de um sistema de aquecimento de água sustentável é ideal
para a busca de diminuição de custo e alta produtividade, utilizando um projeto de um sistema
que será composto por um queimador de pellets, ou seja um combustível bio renovável, e um
trocador de calor casco-tubo.
1.3 JUSTIFICATIVA

O desenvolvimento deste projeto surgiu a partir de uma necessidade industrial. O
sistema desenvolvido neste trabalho será composto de um queimador e um trocador de calor
que irá aquecer a água na temperatura desejada. Pensando na sustentabilidade o queimador,
que a empresa já possui, será abastecido por Pellets, uma biomassa que hoje na maioria das
vezes é descartada, um combustível barato que irá atender a demanda do queimador e do
trocador de calor. Eliminando as resistências elétricas, diminuído o custo gasto para esse
processo.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente trabalho de conclusão de curso foi seccionado em cinco principais capítulos,
os quais serão descritos a seguir.
No Capítulo 1, têm-se a introdução ao trabalho desenvolvido, em que se definem
respectivamente, a contextualização, as hipóteses de pesquisa os objetivos, a justificativa e a
estrutura do trabalho.
No Capítulo 2, apresenta-se a fundamentação teórica, a qual. apresenta todas teorias e
técnicas usada no presente trabalho tendo como fonte os principais autores da área abordada.
No Capítulo 3, descreve-se a metodologia e procedimentos utilizados para o
desenvolvimento do presente trabalho.
No Capítulo 4, apresenta-se, inicialmente o produto final com todos os resultados e
análises, assim se discute e apresentam-se os resultados obtidos com o trabalho.
17

No Capítulo 5, têm-se as conclusões pertinentes aos resultados obtidos.
Finalizando, tem-se o Capítulo 6 o qual apresenta as referências bibliográficas adotadas
para a realização do trabalho e o Apêndice.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo Geral

Desenvolver o projeto de dimensionamento térmico de um trocador de calor para
aquecimento de água através da queima do pellet de biomassa. O método de desenvolvimento
do projeto deverá seguir todas as etapas de desenvolvimento de um projeto.

1.5.2 Objetivos Específicos

• Identificar as principais obras literárias, artigos técnicos e científicos que abordam as
características técnicas e funcionais de um queimador de pellets;
• Identificar e compreender os aspectos teóricos da funcionalidade de um trocador de
calor casco tubo;
• Analisar os sistemas de aquecimento de água através de um trocador de calor casco
tubo já existentes para esta funcionalidade;
• Identificar possíveis melhorias e inovações;
• Analisar custos e viabilidade;

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo serão abordados os assuntos: Princípios de Combustão, pellets de
Madeira Queimadores de pellets e trocadores de calor. Estes temas serão analisados com
base a história, bibliografia e informações de fabricantes de queimadores de pellets.

2.1 PRINCÍPIOS DA COMBUSTÃO

A combustão pode ser definida pela seguinte explicação “a oxidação rápida gerando
calor, ou ambos, calor e luz; também, a oxidação lenta acompanhada por pequena liberação
de calor e sem emissão de luz”. Segundo o dicionário Webster.
A explicação dada pelo dicionário enfatiza a importância da combustão, pois converte
a energia armazenada em ligações químicas em energia térmica que pode ser utilizada de
várias formas.
A combustão é mais conhecida nos dias de hoje como fogo. O Fogo é uma reação
química que precisa de três componentes bem equilibrados para que venha a existir e produzir
luz e energia térmica em forma de calor. Para isso devemos entender e conhecer quais seriam
estes componentes.
Basicamente são 3 elementos: fonte de ignição (calor) comburente e combustível que
reagindoem cadeia originam o fogo como mostra a Figura 01.

Figura 1. Triângulo de fogo
Fonte: Energia da madeira, 2000
19

A composição dos gases que se desprendem, assim como a sua temperatura e
disponibilidade do comburente, determina a cor da chama. No caso da combustão de madeira
ou papel a chama é roxa, amarela ou alaranjada. Na queima de gases de hidrocarbonetos
obtém-se uma chama azulada, e cores exóticas são obtidas quando são queimadas substâncias
que contém elementos metálicos.
Para formação do fogo são necessários três elementos, que reagem entre si.
● Combustível - que alimenta o fogo e serve de campo para sua propagação.
● Calor - que dá o início ao fogo, mantendo-o e propagando-o pelo combustível. O
calor provém de fontes que se encontram ao nosso redor como, por exemplo, a brasa
de um cigarro ou a chama de um fogão de cozinha.
● Comburente - é o ativador de fogo que dá a vida às chamas. O comburente mais
comum é o oxigênio, elemento presente no ar que respiramos. Basta juntar o
combustível, o comburente e uma fonte de calor, com a intensidade ideal, que teremos
como resultado o fogo, ou seja, teremos formado o Triângulo do Fogo.
É considerada combustão completa quando os reagentes são levados ao ser grau máximo
de oxidação, conforme mostrado abaixo:
C + O2 → CO2 + Q1 (1)
H2 + ½O2 → H2O + Q2 (2)
S + O2 → SO2 + Q3 (3)
Nas reações acima, Q1, Q2 e Q3 representam a quantidade de calor liberada em cada uma
das reações.
Além das reações 1, 2 e 3 relacionadas acima, devemos destacar a reação que leva à
formação de CO.
C + ½O2 → CO + Q4 (4)
É importante observar que, desde que adotadas as mesmas condições de temperatura
e pressão, a quantidade de calor Q4 é menor que a quantidade Q1. Portanto, a combustão
incompleta é um processo menos eficiente que a combustão completa, quando o que se
procura é a liberação de calor.
20

Outro aspecto importante a ser destacado é o poder calorífico do combustível. A cada
uma das reações elementares de combustão completa está associada a uma quantidade de
calor liberada característica, denominada calor da reação.
Mais explicitamente, entende-se por poder calorífico de um combustível o calor
liberado durante a combustão completa de um quilograma do mesmo, no caso de
combustíveis sólidos ou líquidos.

2.2 BIOMASSA

O termo biomassa engloba a matéria vegetal gerada através da fotossíntese e os seus
derivados, tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica
contida nos resíduos industriais, domésticos, municipais, etc. Estes materiais contêm energia
química provinda da transformação energética da radiação solar. Essa energia química pode
ser liberada diretamente por combustão, ou convertida através de algum processo em outras
fontes energéticas mais adequadas, para um fim qualquer desejado, tal como o álcool e o
carvão vegetal. Aproveitando aproximadamente 1 [ % ] do total da radiação solar incidente
sobre a Terra, estima–se que anualmente sejam produzidas, pelo processo de fotossíntese,
cerca de 220×109 toneladas de biomassa (base seca), o que equivale a uma energia de 2×1015
[ MJ ], ou seja, mais que 10 vezes a energia global consumida por ano no nosso planeta
(SMIL, 1985). O total de energia existente na cobertura vegetal da Terra, incluindo–se os
bosques tropicais e temperados, as savanas e campos, é estimado como sendo cerca de 100
vezes o consumo atual de energia ao longo de um ano na Terra. Sabemos que só uma parte
dessa energia pode ser utilizada, mas as informações numéricas fazem com que percebamos
da importância que tem o potencial energético.

2.2.1 Tipos de Biomassa

Os recursos energéticos da biomassa podem ser classificados em diferentes formas,
entretanto não pode deixar de citar que aos fluxos de energia de biomassa são associados os
biocombustíveis que, que são apresentados em três grupos conforme sua origem. Existem os
biocombustíveis da madeira os combustíveis de plantação não florestal e os resíduos urbanos.
21

● Biocombustível da madeira: Envolve basicamente a lenha que pode ser produzida
e obtida de maneira sustentável a partir de florestas plantadas ou nativas, respeitando
limites que possibilitem a regeneração natural das florestas, ou também obtida por
desmatamento de formações nativas com o intuito, neste caso, de obter terras para
atividades agropecuárias. Pode–se também obter estes combustíveis através de
atividades que processam ou utilizam a madeira com finalidade não exclusivamente
energética, como por exemplo, em serrarias e indústrias de celulose.
● Biocombustíveis não florestais: são produzidos a partir de produções anuais.
Apresentam maior umidade que os biocombustíveis florestais. Seu uso, em geral,
exige primeiramente uma conversão em outro produto energético mais adequado,
temos como exemplo, a cana–de–açúcar, sabendo que valor energético está associado
ao conteúdo de celulose, amido, açúcares e lipídeos que, por sua vez, determinam o
tipo de produto energético que se pode obter.
● Resíduos urbanos: mesmo que inclua os materiais de outras origens, tais como os
plásticos e metais, o número maior do lixo e praticamente toda a parte orgânica das
águas de esgotos é representada por biomassa. A utilização para fins energéticos
destes resíduos pode ser um considerável benefício ambiental e uma gradual
eliminação de materiais contaminantes, que quase sempre provocam crescentes
dificuldades nas cidades e vilas.

2.2.2 Combustão da Biomassa

Combustão direta: O aproveitamento da biomassa pode ser feito por meio da
combustão direta (com ou sem processos físicos de secagem, classificação, compressão,
corte/quebra etc.), de processos termoquímicos (gaseificação, pirólise, liquefação e
transesterificação) ou de processos biológicos (digestão anaeróbia e fermentação).

Gaseificação: como o próprio termo indica, gaseificação é um processo de conversão
de combustíveis sólidos em gasosos, por meio de reações termoquímicas, envolvendo vapor
quente e ar, ou oxigênio, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para
a combustão). Há vários tipos de gaseificadores, com grandes diferenças de temperatura e/ou
pressão. Os mais comuns são os reatores de leito fixo e de leito fluidizado. O gás resultante
é uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio, metano, dióxido de carbono e nitrogênio,
22

cujas proporções variam de acordo com as condições do processo, particularmente se é ar ou
oxigênio que está sendo usado na oxidação.
Pirólise: a pirólise ou carbonização é o mais simples e mais antigo processo de
conversão de um combustível (normalmente lenha) em outro de melhor qualidade e conteúdo
energético (carvão, essencialmente). O processo consiste em aquecer o material original
(normalmente entre 300°C e 500°C), na "quase-ausência" de ar, até que o material volátil
seja retirado. O principal produto final (carvão) tem uma densidade energética duas vezes
maior que aquela do material de origem e queima em temperaturas muito mais elevadas.
Além de gás combustível, a pirólise produz alcatrão e ácido piro-lenhoso.
Digestão anaeróbia: a digestão anaeróbia, assim como a pirólise, ocorre na ausência
de ar, mas, nesse caso, o processo consiste na decomposição do material pela ação de
bactérias (microrganismos acidogênicos e metanogênicos). Trata-se de um processo simples,
que ocorre naturalmente com quase todos os compostos orgânicos.
Fermentação: fermentação é um processo biológico anaeróbio em que os açúcares
de plantas como a batata, o milho, a beterraba e, principalmente, a cana de açúcar são
convertidos em álcool, por meio da ação de microrganismos (usualmente leveduras). Em
termos energéticos, o produto, o álcool, é composto por etanol e, em menor proporção,
metanol, e pode ser usado como combustível (puro ou adicionado à gasolina- cerca de 20%)
em motores de combustão interna.
Co-combustão
Essa prática visa propor a substituição de parte do carvão mineral utilizado por
biomassa. Com isso, reduz-se significativamente a emissão de poluentes. Neste contexto, a
faixa de desempenho da biomassa encontra-se entre 30 e 37%, se configurando como uma
escolha bastante atrativa e econômica atualmente.
Comparativamente à queima isolada de carvão ou biomassa, a co-combustão na
geração de energia de biomassa apresenta algumas vantagens, entre as quais se destacam:
● Redução do total de emissões por unidade de energia produzida;
● Diminuição dos níveis de emissão de poluentes associados à composição típica destes
combustíveis, tais como os óxidos de enxofre, os metais pesados ou as dioxinas e
furanos;
● Minimização de desperdícios;
● Redução dos níveis de poluição do solo e água, dependendo da composição química
do material utilizado.
A Figura 02 mostra as fontes de biomassa e a conversão que cada uma pode sofrer
23

Figura 2. Principais processos de conversão em energéticos.
Fonte: BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL - BEN. Brasília: MME, 1982.

2.3 Biocombustível da Madeira - Pellet

Existem três tipos de biocombustíveis, mas neste item vamos nos aprofundar no
biocombustível da madeira, uma matéria prima de combustão.
A necessidade atual de fontes de energia renováveis e caracterizadas como limpas,
fez com que os pellets surgissem como uma fonte de energia alternativa, pois possuem grande
potencial energético, e proporciona menor impacto ambiental, já que utiliza resíduos
industriais e florestais em sua composição. A matéria prima utilizada está relacionada ao teor
de cinzas do material e ao Poder Calorífico Superior (PCS), que são alguns dos principais
parâmetros de qualidade de pellets para fins energéticos. No processo de produção estão
relacionados fatores como densidade a granel e durabilidade mecânica dos materiais (DUCA
et al., 2012). Porém, o teor de umidade, teor de cinzas e o poder calorífico superior, são
considerados como as principais características qualitativas em relação ao potencial
energético da biomassa (FURTADO et al., 2012).
Os pellets se destacam por serem sólidos e de fácil manuseio, além de necessitarem
de pouco espaço para armazenamento e possuírem alta densidade energética. A geometria
24

dos pellets proporciona algumas vantagens se comparado a outros materiais, já que suas
dimensões permitem maior facilidade no transporte do mesmo, que pode ser embalado em
vários tamanhos de embalagens pré-definidas. Outra vantagem se refere à alimentação de
sistemas industriais, sendo esta tanto automática quanto manual como em aquecedores
residenciais, já que é um produto de origem natural e sua composição não contém elementos
tóxicos (GARCIA, CARASCHI e VENTORIM, 2017).
Os matérias e qualidade dos produtos que como produtos usados para combustão, são
capazes de reduzir um número significante da emissão de gases poluentes que causam vários
problemas para o meio ambiente e consequentemente para o ser humano, além desse ponto
positivo não podemos deixar de considerar que o Pellet é produzido do resíduo da madeira
ou melhor na limpeza dos resíduos florestais, então a utilização desse biocombustível
reduziria também o risco de incêndios florestais.
“Os pellets podem ser utilizados como substitutos diretos da lenha em variados usos,
como residencial, industrial, estabelecimentos comerciais, olarias, cerâmicas, padarias,
pizzarias, fábricas de alimentos, de cimento, laticínios, indústrias químicas e têxteis,
aquecimento de grãos. Comparado com lenha que é utilizada para geração de vapor e
aquecimento industrial, o pellet de madeira apresenta muitas vantagens. O seu mais elevado
poder calorífico e densidade aparente e baixo teor de umidade (6,5 a 10%) trazem uma série
de vantagens sobre a biomassa e a lenha (média de 35 a 40% de teor de umidade). Quer ainda
pela maior densidade dos pellets de madeira ou quer pelo maior poder calorífico que facilitam
os custos de armazenamento e transporte e uma maior geração de energia”. (OLIVEIRA DE,
CELSO MARCELO,2010).

2.3.1 Propriedade dos Pellets

A determinação da umidade base úmida e base seca, além da densidade a granel dos
pellets pode ser determinada de acordo com as mesmas metodologias utilizadas para a
caracterização das matérias-primas. A estimativa do poder calorífico útil foi realizada
utilizando-se a seguinte equação, conforme norma DIN EN 14918 (Deutsches Institut Für
Normung, 2010b):
PCU (pressão constante) = (PCS – 212,2*H-0,8*(O+N))*(1 – 0,01* M) – (24,43*
M)
Em que:
25

PCU (pressão constante): poder calorífico útil em pressão constante, em J.g-1;
PCS: poder calorífico superior, em J.g-1;
H, O, N: hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, respectivamente, em porcentagem (%);
M: umidade, base úmida, em porcentagem (%),
Constantes: A energia de vaporização (pressão constante) para a água a 25°C é de
44,01 kJ.mol-1. Isto corresponde a 218,3 J.g-1 para 1% de hidrogênio (m/m) ou 24,43 J.g-1
para 1% de umidade (m/m) na amostra.
A densidade energética, em GJ.m-3, é obtida pela multiplicação do poder calorífico
útil pela densidade a granel do material, conforme sugerido por Obernberger e Thek (2010).

Tabela 1. Principais características dos pellets

Principais características dos pellets
Dimensões
Diâmetro: 4-10 mm
Comprimento: 10-40 mm
Poder Calorífico Superior 16,9 – 22,0 MJ//kg (4,04 – 5,26
kcal/kg)
Teor de umidade 6 – 10% (Base Seca)
Teor de Cinzas Menor que 0,5%
Matéria-prima Serragem, maravalha e resíduos
agroflorestais
Densidade à granel 650 – 700 kg/m³
Conversão termoelétrica 1,0 MWh = 3600MJ 212 kg de pellets

Fonte: (GARCIA et al, 2017)

2.3.2 Normas Utilizadas para Padronização e Caracterização de Pellets

Aqui no Brasil não há normas para padronização e caracterização de pellets de
madeira ou demais resíduos. Assim são usadas algumas restrições e padronizações que
é utilizado para briquetes e carvão vegetal que são adaptadas para o uso de pellets.
Utilizam-se então como critérios e referencial as normas europeia, americanas e
algumas normas alemãs. A normalização é utilizada para garantir a segurança e
qualidade exigidas normalmente pelo cliente, visando sempre melhoria contínua. As
normas padrão de pellets são: sueca (SS187120), austríaca (ONORM M7135), alemã
(DIN 51731) e Estados Unidos seguem normas oficiais recomendadas pelo PFI (Pellets
26

Fuel Institute).

Tabela 2. Parâmetros usados na Áustria e Suécia (GARCIA et al, 2017)

Fonte: (GARCIA et al, 2017)

Tabela 3. Parâmetros usados na Alemanha e Estados Unidos

Fonte: (GARCIA et al, 2017)

2.3.3 Mercado de Pellets

Com a utilização dessa matéria prima para muitas novas aplicações o mercado tem
visto como uma oportunidade de crescimento, pois é um bicombustível sustentável, mas no
27

Brasil ainda não existe regulamentação como já vimos no item. Então para o crescimento ser
mais favorável e expandir é necessário de uma regulamentação.
Os pellets de madeira hoje em dia são considerados como um combustível promissor,
pois como é composto de resíduos de madeira que seriam descartados sem contar do baixo
teor de umidade onde facilita a combustão.
O crescimento do mercado de pellets faz com que consequentemente o mercado de
florestas aumente ainda mais, assim gerando e diversificando as atividades florestais.
Conclui-se que, como citado no início, a regulamentação é o maior empecilho do
crescimento deste ramo, evitando que seja rápido e eficiente.

2.4 QUEIMADORES

O Dicionário UNESP sustentabilidade é “Conceito que, relacionando aspectos
econômicos, sociais, culturais e ambientais, busca suprir as necessidades do presente sem
afetar as gerações futuras. Qualidade ou propriedade do que é sustentável,do que é
necessário à conservação da vida.”
Uma nova tecnologia de aquecimento sustentável que causa menos impacto ao meio
ambiente, sem contar que é um equipamento 40% mais barato, pois o reabastecimento de
matéria-prima para a combustão é longo.

2.4.1 Tipos de Queimadores

O queimador é um dispositivo usado para a queima de combustíveis em fornos,
caldeiras e secadores.
As funções do Queimador são:
1. Promover uma mistura íntima entre o combustível e o ar para combustão;
2. Direcionar a mistura de forma atomizada e pulverizada na câmara de
combustão;
3. Promover a queima contínua e eficiente da mistura.
4. Os queimadores podem ser usados na combustão do gás e do óleo.
Incluído no assunto de queimadores a biomassa, existe o pellet, que é o resultado da
extrusão de serragem produzida durante o beneficiamento da madeira natural seca. Os pellets
28

de madeira representam uma das formas de aquecimento menos poluentes e mais econômicas
disponíveis atualmente no mercado.
Atualmente, a tecnologia de queimadores a pellets é dividida em três diferentes
categorias, concordante com seu sistema de alimentação: inferior, horizontal e superior.
Como mostra a figura 03.

Figura 3. Categorias quanto à alimentação de pellet.
Fonte: Disponível em: www.hearth.com/talk/attachments/principper-for-pillef%C3%B8dning-
jpg.96877/

2.4.1.1 Queimador de alimentação inferior

Um queimador com alimentação inferior em geral faz parte de um conjunto completo
para aquecimento de água. Possui o reservatório de pellets, o mecanismo de alimentação, a
câmara de combustão e o trocador de calor com a água numa estrutura compacta. Podemos
observar esse modelo na figura 05 e 06.
Para este tipo de queimador, os pellets saem do reservatório por meio de um dosador
e caem dentro do tubo de condução, onde está a rosca transportadora. A rosca transportadora
helicoidal empurra os pellets por este tubo. Na extremidade deste tubo existe uma curva para
cima, fazendo com que os pellets subam para a câmara de combustão. O ar necessário para a
queima dos pellets é provido por um disco em todo o perímetro da câmara. Possui, na maioria
dos casos, acendimento automático por meio de resistência elétrica.
Algumas vantagens dos queimadores de alimentação inferior:
● São sistemas compactos e multifuncionais.
● Todo o sistema é projetado e fabricado pela mesma empresa, tendo uma maior
garantia de funcionamento e facilita um eventual reparo pela assistência
técnica.
● É um sistema mais apresentável, por não conter peças móveis aparentes.
29

Algumas desvantagens dos queimadores de alimentação inferior:
● O preço de aquisição é mais alto, por se tratar de uma solução completa.
● Difícil adaptabilidade em sistemas pré-existentes.
● Limita-se ao aquecimento de água.

Figura 4. Queimador a pellet com alimentação inferior.
Fonte: Disponível em: <www.oekofen.de>

Figura 5. Queimador a pellet com alimentação inferior.
Fonte: Disponível em: <www.beacon-stoves.co.uk >

2.4.1.2 Queimador de alimentação horizontal

Os queimadores a pellet com alimentação horizontal possuem um reservatório de
pellets separado da câmara de combustão pelo tubo de transporte do combustível, onde se
encontra a rosca transportadora. A rosca transportadora alimenta o leito de combustão pela
lateral, conforme mostra figura 10. O ar para a combustão é insuflado por baixo do leito de
combustão. Este modelo de queimador a pellet também permite a queima de outros
combustíveis granulados como: milho, casca de nozes, casca de amêndoas etc.
O formato e sistema de funcionamento dos queimadores a pellet com alimentação
lateral, permite a sua utilização em fornos de assar pães e pizzas. Um exemplo desse
queimador é mostrado nas Figuras 06 e 07.

Algumas vantagens dos queimadores de alimentação horizontal:
● São de fácil adaptabilidade para substituir combustíveis como a lenha, gás ou
eletricidade em fornos pré-existentes.
● A mecânica é simples.

Algumas desvantagens dos queimadores de alimentação horizontal:
● Tem a maioria dos componentes expostos.
● Sobram cinzas na fornalha, ao final do fogo.
● Perigo de queimar os pellets dentro do tubo de transporte.

Figura 6. Queimador a pellet com alimentação horizontal
Fonte: Disponível em: <www.ecopiva.com.br >

Figura 7. Queimador a pellet com alimentação horizontal.
Fonte: Disponível em: <www.wikipédia.com.br >

2.4.1.3 Queimador de alimentação superior

A solução vertical, de alimentação superior, abastece a câmara de combustão através
de um duto que está sobre o queimador. O alimentador helicoidal direciona os pellets para o
duto de alimentação, fazendo com que o combustível caia sobre o fogo.
O queimador de pellet com alimentação superior se divide em dois tipos: Com
fornalha tipo bandeja ou com fornalha horizontal tubular.
O queimador com fornalha tipo bandeja é utilizado em lareiras a pellet ou em sistemas
integrados de aquecimento de água. Já o queimador com fornalha horizontal tubular é
acoplado em sistemas de aquecimento de água ou ar substituindo queimadores convencionais
a óleo, a gás ou a lenha. Funcionam com uma rosca transportadora que leva os pellets do
reservatório a um tubo de direcionamento e lança-os em cima da chama em combustão.
Também é conhecido como lareira de pellets, Boiler a pellet e Queimador a pellet adaptável
as figuras 09,10 e 11 apresentam estes modelos respectivamente

Algumas vantagens dos queimadores de alimentação superior:
● Por manter os pellets da rosca transportadora afastados da câmara de
combustão, é menor o risco de incendiar o reservatório.
● Por lançar os pellets sobre a chama, facilita a combustão.
● Baixo custo de instalação, operação e manutenção.

Vantagens abaixo válidas apenas para queimador com fornalha horizontal tubular:
● São de fácil adaptabilidade para substituir queimadores de combustíveis como
a lenha, gás ou óleos em boilers ou trocadores de calor.
32

● São versáteis pela forma construtiva.
● A mecânica é simples.

Algumas desvantagens dos queimadores de alimentação superior:
● O controle de quantidade de pellets na câmara de combustão é complicado.
Necessitam um espaço no trocador de calor para acumular as cinzas.

Figura 8. Lareira a pellet
Fonte: Disponível em: < http://www.auldtonstoves.co.uk >

Figura 9. Boiler a pellet.
Fonte: Disponível em: < http://www.treco.co.uk >

Figura 10. Queimador de pellet adaptável.
Fonte: Disponível em: < http:// www.megatherm.gr/>

Figura 11. Queimador a pellet instalado a um trocador de calor ar/ar.
Fonte: Disponível em: <http://www.megatherm.gr/>.

2.5 TROCADORES DE CALOR

Equipamentos de vários tipos e configurações onde ocorre transferência de energia
sob a forma de calor entre duas ou mais massas de fluido que podem ou não estar em contato
direto. Os equipamentos usados para programar a troca de calor entre dois fluidos ou mais
sujeitam a diferentes temperaturas são denominados Trocadores de Calor. Classificação de
trocadores de calor: Podemos classificar os trocadores de diversas maneiras:
I. Quanto ao modo de troca de calor;
II. Quanto ao número de fluidos;
III. Tipo de construção, etc.
Os trocadores de Calor Podem ser:
▪ Trocador de calor casco e tubo;
▪ Trocador de calor de placas;
▪ Trocador de calor circular adiabático;
▪ Trocador de calor de placas aletadas;
▪ Trocadores de calor fluidos;
▪ Unidades de recuperação de calor de resíduos;
▪ Trocador de calor de superfície raspada dinâmico;
35

Devido às muitas variáveis envolvidas, a seleção ótima de um trocador de calor é desafiante.
Cálculos manuais são possíveis, mas muitas interações são tipicamente necessárias. Assim,trocadores de calor são mais frequentemente selecionados através de programas de
computador, que por projetistas de sistemas, que são tipicamente engenheiros, ou pelos
fornecedores de equipamentos.
De maneira a selecionar um trocador de calor apropriado, os projetistas de sistemas
(ou fornecedores dos equipamentos) em primeiro lugar consideram as limitações de projeto
para cada tipo de trocador de calor. Embora o custo seja muitas vezes o primeiro critério
avaliado, há vários outros importantes critérios de seleção que incluem:
▪ Limite de alta e baixa pressão;
▪ Performance térmica;
▪ Faixas de temperatura;
▪ O conjunto de produtos (líquido/líquido, líquidos com particulados ou alto teor de
sólidos);
▪ Queda de pressão ao longo do trocador;
▪ Capacidade de fluxo de fluido;
▪ Características de limpeza, manutenção e reparo;
▪ Materiais requeridos para construção;
▪ Capacidade e facilidade de futura expansão.
A escolha do trocador de calor correto requer algum conhecimento de diferentes tipos
de trocadores de calor, assim como o ambiente no qual a unidade irá operar. Tipicamente na
indústria de manufatura, diversos tipos diferentes de trocadores de calor são usados para
apenas um processo ou sistema para obter-se o produto final. Por exemplo, um trocador de
calor kettle para pré-aquecimento, um trocador de tubo duplo para o fluido transportador e
um trocador placa e quadro para resfriamento. Com suficiente conhecimento de tipos de
trocadores de calor e requerimentos de operação, uma seleção apropriada pode ser feita para
aperfeiçoar-se o processo.

2.5.1 Trocadores de Calor Casco e Tubo

Trocadores de calor casco e tubo consistem em uma série de tubos. Um conjunto
destes tubos contém o fluido que deve ser ou aquecido ou esfriado. O segundo fluido corre
sobre os tubos que estão sendo aquecidos ou esfriados de modo que ele pode fornecer o calor
36

ou absorver o calor necessário. O conjunto de tubos é chama do feixe de tubos e pode ser
feita de vários tipos de tubos: simples, longitudinalmente aletados etc. Trocadores de calor
casco e tubos são normalmente utilizados para aplicações de alta pressão (com pressões
superiores a 30 bar e temperaturas superiores a 260 °C). Isso ocorre porque os trocadores de
calor casco e tubo são robustos, devido a mais rapidamente se for de pequeno tamanho o que
faz sua forma.
Existem várias características de projeto térmico, que devem ser tidas em conta
quando se projetam os tubos nos trocadores de calor de casco e tubo. Estas incluem:
● Diâmetro dos tubos: se usarem tubos de pequeno diâmetro faz o trocador de calor
tanto econômico como compacto. No entanto, é mais provável que o trocador de
calor se incrusta a limpeza mecânica das incrustações difícil. Ao prevalecer à
incrustação e os problemas de limpeza, tubos de diâmetros maiores devem ser
utilizados. Assim, para determinar o diâmetro de tubos, o espaço disponível,
custos, incrustação, bem como a natureza dos fluidos de vem ser considerados:
● Espessura de parede de tubo: A espessura das paredes dos tubos é normalmente
de terminada de maneira a garantir:
● Existir espaço suficiente para a corrosão;
● Que a vibração induzida por fluxo tenha resistência;
● Resistência axial;
● Disponibilidade de peças sobre alentes;
● Resistência de contenção ou "de cintura” (para suportar a pressão do tubo
interno);
● Resistência à flambagem (para suportar s obre pressão no casco);
● Comprimentos dos tubos: Trocadores de calor são normalmente mais baratos
quando tem um menor diâmetro de casco e um longo comprimento de tubo.
Assim, normalmente há uma tendência de diminuir o diâmetro externo do trocador
de calor enquanto fisicamente possível, não prejudicando as capacidades de produção. No
entanto, existem muitas limitações para isso, inclusive o espaço disponível no local onde vai
ser utilizado e a necessidade de assegurar que haja espaço disponível e pelo menos o
dobro d o comprimento necessário (para que os tubos possam ser retira dos e
substituídos). Além disso, é bom lembrar que, os tubos finos são difíceis de remover e
substituir.
● Passo (pitch) dos tubos: quando se projeta os tubos, é prático para garantir
que o passo (pitch) dos tubos (i.e., a distância do centro do tubo ao centro de
37

tubos adjacentes) não se já inferior a 1,25 veze só diâmetro dos tubos externos. Um
passo maior dos tubos leva a um maior diâmetro global do casco que leva a um
trocador de calor mais caro.
● Corrugação dos tubos: tubos corrugados, são utilizados principalmente para os
tubos internos, pois aumentam a turbulência dos fluidos e o efeito é muito
importante na transferência de calor dando um melhor desempenho.
● Distribuição o u configuração (l a yout) do tubo: refere-se a como os tubos são
posicionados dentro do casco. Existem quatro tipos principais de configuração dos
tubos, os quais são triangulares (30 °), triangular "girado” (60 °), quadrado (90 °) ou
quadrado girado (45°). Os padrões triangulares são empregados para produzir maior
transferência de calor em que se força o fluido a fluir de uma forma mais turbulenta
ao redor da tubulação. Padrões quadrados são empregados onde alta incrustação é
experimentada e operações de limpeza são mais regulares.
● Projeto das chicanas: chicanas ou defletores são usados em trocadores de calor casco
e tubo para direcionar o fluido através do feixe de tubos. Eles correm
perpendicularmente ao caso e mantém coeso e fixo o feixe de tubos, evitando os tubos
de vergarem ao longo de um comprimento excessivo. Eles também podem impedir
que os tubos vibrassem excessivamente. O tipo mais comum de chicana é a chicana
segmentar. As chicanas segmentares semicirculares são orientadas a1 80 graus para
as chicanas adjacentes forçando o líquido a fluir para cima e para baixo entre o feixe
de tubos. Chicanas de espaçamento são de grande importância termodinâmica no
projeto de trocadores de calor de casco e tubo. Chicanas devem ser espaçadas, tendo
em consideração para a conversão da queda de pressão e transferência de calor. Para
a otimização térmica e econômica é sugerido que as chicanas sejam espaçadas não
mais de 20 % do diâmetro interno do casco. Tendo-se chicanas espaçadas muito
próximas provoca -se um a maior queda de pressão por causa do redirecionamento
de fluxo.
Consequentemente com as chicanas nas espaçadas significa que pode haver regiões
mais frias nos cantos entre as chicanas. Também é importante para garantir que as chicanas
sejam espaçadas perto o suficiente para que os tubos não cedam. O outro tipo principal de
defletor é o de disco e defletor de rosca, que consiste em dois defletores concêntricos, o
defletor exterior mais amplo parece uma rosquinha (donut), embora o defletor interno seja
em forma de disco.
38

Estes tipos de defletores forçam o fluido a passar em torno de cada lado do disco, em
seguida, através do defletor donut gerando um tipo diferente de fluxo de fluido.

2.5.2 Trocador de Calor de Placas

Outro tipo de trocador de calor é o trocador de calor de placas.
Ele é composto por placas múltiplas, finas, levemente separadas, tem áreas de
superfície muito grande às passagens do fluxo de fluido, o que favorece a transferência de
calor. Este arranjo empilhado de placas pode ser mais eficaz, em um determinado espaço,
que o trocador de calor de casco e tubos. Avanços na tecnologia de vedação e brasagem
fizeram o permutador de calor do tipo placa cada vez mais prático. Em aplicações HVAC,
grandes trocadores de calor deste tipo são chama dos placas-e-quadros, quando utilizados
em circuitos abertos, estes trocadores de calor são normalmente do tipo vedado permitindo
desmontagem, limpeza e inspeção periódica. Existem muitos tipos de trocadoresde calor de
placa permanentemente ligadas, tais como variedades de placa brasadas por imersão e
brasadas a vácuo, e muitas vezes são especificados para aplicações de circuito fechado, como
refrigeração. Trocadores de calor de placas também diferem no tipo de placas que são
utilizadas, e nas configurações das placas.
Algumas placas podem ser carimbadas com o “chevron ” (forma de insígnia), ou
outros padrões, onde outros possam ter aletas e/ou ranhuras usinadas.

2.5.3 Trocador de Calor Adiabático

Um quarto tipo de troca dor de calor utiliza um fluido intermediário ou armazena
sólidos para manter o calor, que é então transferido para o outro lado do trocador de calor a
ser liberado. Dois exemplos disso são rodas adiabáticas, que consistem em uma grande roda
com linhas finas em rotação através dos quais fluem os fluidos quentes e frios, e trocadores
de calor fluido.

2.5.4 Trocador de Calor de Placas Aletadas

Este tipo de trocador de calor utiliza com passagens em “sanduíche” para aumentar a
efetividade da unidade. Os projetos incluem fluxo transversal e contra fluxo com diversas
configurações de aletas tais como aletas retas, a letas deslocadas e as aletas onduladas.
Trocadores de calor de placas aletadas são normalmente feitos de ligas de alumínio,
que proporcionam maior eficiência de transferência de calor. O material permite que o
sistema funcione a baixa temperatura e reduzem o peso do equipamento. Trocadores de calor
de placas aletadas são usados principalmente para serviços de baixa temperatura, como
plantas de liquefação de gás natural, hélio e oxigênio, as plantas de separação de ar e na
indústria de transportes com motores de aeronaves.
Um trocador de calor de placas intercambiáveis a plicado a o sistema de uma piscina
de natação.
Vantagens de trocadores de calor d e placas e aletas:
● Alta eficiência e transferência de calor especialmente em tratamento de gás.
● Maior área transferência de calor.
● Aproximadamente cinco vezes mais leve em peso que os correspondentes em
capacidade trocadores de calor casco e tubos.

2.5.5 Trocador de Calor de Fluido

Este é um trocador de calor com um gás que passa para cima a través de um banho de
líquido (frequentemente água), e o fluido é, então, levado para outro lugar antes de ser
refrigerado. Isto é comum ser utilizado para o resfriamento de gases ao mesmo empo em que
se remove certas impurezas, assim, resolve -se dois problemas de uma vez. É amplamente
utilizado em máquinas de café expresso como um método de poupar-se energia de
resfriamento de água superaquecida para ser utilizada na extração do expresso.

2.5.6 Unidade de Recuperação de Calor de Resíduos

Uma unidade de recuperação de calor (WHRU, Waste He at Recovery Unit) é um
trocador de calor que recupera o calor de um fluxo de gás quente durante sua transferência
40

para um meio de trabalho, geralmente água ou óleo. O fluxo de gás quente pode ser o gás
de exaustão de uma turbina a gás ou um motor a diesel ou a gás de resíduos provenientes da
indústria ou da refinaria.

2.5.7 Trocador de Calor de Superfície Raspada Dinâmico

Outro tipo de trocador d e calor é chamado "trocador de calor de superfície raspada
(dinâmico) “ São principalmente usados em aquecimento ou resfriamento com produtos
altamente viscosos, processos de cristalização, aplicações de evaporação e alta incrustação.
Longos tempos de atividade são alcançados devido à raspagem contínua da superfície,
evitando assim incrustação e alcançando um a taxa de transferência de calor sustentável
durante o processo.
A fórmula usada para isto será: Q = A. U. F△ LM TD, onde Q é a taxa de transferência
de calor.

2.6 ANÁLISE DE TROCADOR DE CALOR

Para a realização de um projeto de um trocador de calor é necessário realizar a
verificação do desempenho do mesmo para a situação em análise. Para tal verificação
relaciona-se a taxa total de transferência de calor com temperaturas de entrada e saída,
coeficiente global de transferência de calor e área superficial disponível para transferência
de calor (INCROPERA et al, 2008, p.428)

Pode-se calcular o calor que foi trocado através da seguinte equação:

𝑄 = 𝑈𝐴(𝑇𝑏1 − 𝑇𝑏2)

Onde:

Q: Calor trocado (W)
𝑈: Coeficiente global de troca de calor (W/m²K)
41

𝐴: Área (m²)
𝑇𝑏: Temperatura média de cada um dos fluidos (°C)

2.6.1 Análise de Trocador de Calor por Média Logarítmica

Segundo Braga Filho (2004, p. 522) o Coeficiente Global de Transferência de Calor
é definido pelo inverso da resistência equivalente.
Para a utilização do método de análise por diferença de temperatura média logarítmica
é indicado que sejam conhecidas as temperaturas de entrada e saída dos fluidos, tornando o
dimensionamento mais eficaz pois pode-se calcular a área de contato necessária, sem
superdimensionar e com isso, gerando maior eficiência.
Utiliza-se a temperatura média porque as temperaturas variam de ponto a ponto,
sendo assim utilizada a média para garantir um melhor dimensionamento do trocador de
calor.
Segundo Incroperaet al. (2008), a diferença de temperatura média apropriada é uma
média logarítmica das diferenças de temperaturas. Então, é possível calcular a taxa de
transferência de calor, dada pela seguinte equação:

�̇� = 𝑈𝐴∆𝑇𝑚𝑙

�̇� ∶ Calor trocado (W)
𝑈: Coeficiente global de troca de calor (W/m²K)
𝐴: Área (m²)
∆𝑇𝑚𝑙: Diferença entre temperaturas

2.6.2 Análise de Trocador de Calor pelo Método da Efetividade Nut

Quando as temperaturas de entrada e saída são conhecidas é de fácil aplicação o
método logarítmico, porém se não conhecemos as temperaturas podemos utilizar o método
da efetividade NUT.
42

O método NUT é geralmente utilizado para verificar o desempenho dos trocadores de
calor e quando se conhece o tipo do equipamento e é necessário determinar a taxa de
transferência de calor e as temperaturas de saída dos fluidos
Segundo Ferreira (2014) A razão entre a taxa real de transferência de calor Q e a taxa
máxima de transferência de calor para um trocador de calor, Qmax, é chamada de efetividade
ε, ou seja:
𝜀
�̇�
�̇�𝑚𝑎𝑥

Na determinação da efetividade de um trocador de calor, primeiro determina-se a taxa
máxima de transferência de calor Qmax, para o trocador. Para a obtenção desta taxa máxima
de transferência de calor, deve-se fixar o coeficiente Cmin , que é o menor valor entre os
“Cs” das equações a seguir , onde :

𝐶ℎ = 𝑚ℎ. 𝑐ℎ
e
𝐶𝑐 = 𝑚𝑐. 𝑐𝑐
Na sequência, escreve-se :

Qmax = 𝐶𝑚𝑖𝑛. (𝑇ℎ𝑒 − 𝑇𝑐𝑒 )

3 METODOLOGIA APLICADA

Nessa etapa do trabalho científico, descrevem-se, principalmente os métodos e os
procedimentos que foram utilizados na pesquisa, permitindo aumentar a compreensão do
estudo realizado e assegurando a réplica científica. (SILVEIRA et al, 2004, p. 106).
Neste capítulo, é determinado os métodos que será desenvolvido no projeto e no
produto, onde detalhara os procedimentos de coleta, análise e interpretação de dados para
a realização do projeto da cadeira de rodas motorizada.

3.1 MÉTODO DE PESQUISA

A metodologia de pesquisa utilizada refere-se a maneira de abordagem e concepção
do projeto informacional, pode ser considerado como método qualiquantativo, ou seja,
onde as partes dos dados são mensuradas e a outra parte realiza-se a qualificação dos dados.
A pesquisa experimental tem como objetivo solucionar os problemas, com a
realidade que se tem no dia a dia, a pesquisa experimental busca pesquisar sobre o assunto
e colocar as hipóteses em análise e ação assim podendo ser classificada como pesquisa e
ação, que possibilita e interação entre os pesquisadores e os problemas a serem resolvidos.
Com os objetivos deste projeto elencados, onde o mesmo envolveuma pesquisa
explanatória, que visa o conhecimento científico em bibliografias, além das entrevistas
com as pessoas familiarizadas com o assunto. Para a pesquisa descritiva usou-se uma
metodologia bem conhecida e usada nos dias de hoje onde se apresenta o levantamento de
dados e desenvolvimento de projetos por Pahl et al.(2005) e adaptada por Back et al.(2008),
descritas na metodologia de projeto.

3.2 PROCEDIMENTO PARA AQUISIÇÃO, ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO
DE DADOS

A metodologia de projeto baseia-se nos procedimentos de uma análise de
interpretação de dados para a concretização do projeto e segundo Back et all (2008)
contribui na velocidade e dinâmica de desenvolvimento de novos produtos e de forma
sistemática e formal, assim, integrando todos os processos em único projeto.
Conforme Zaions (2014) apud Back et al (1983), “Projeto é a criação de algo novo,
de algo que nunca tenha sido montado desta forma e para esta finalidade, mesmo que seja
a montagem de peças velha”.
O primeiro passo a ser executado é definição de categoria de projeto que será dividido
nas seguintes categorias:
1. Projeto inovador;
2. Projeto adaptativo;
3. Projeto informativo;
Onde o projeto inovador o projetista deve-se basear em produtos da mesma categoria
segundo a classificação. O projeto adaptativo é o qual se adapta uma estrutura já existente
44

com a intenção de mudar as tarefas para as quais inicialmente foram projetadas, mantendo
a solução e todos seus princípios. E o projeto alternativo já existe um produto com conceitos
similares devendo desenvolver-se um trabalho para determinar o ciclo de vida com
conceitos muito similares e atributos do produto com base nos já existentes. As etapas são
subdivididas em:
I. Planejamento de produto;
II. Planejamento de projeto;
III. Planejamento informacional;
IV. Projeto preliminar;
V. Projeto detalhado.

3.3 PLANEJAMENTO DE PRODUTO

A carência de empresas ou de um grupo de pessoas leva-se ter uma ideia de um
novo produto. Back et all (2008, p.159) apresenta uma metodologia e sua importância para
o desenvolvimento de um produto que precisa ser pensando e planejado desde a ideia até
a concepção de um projeto e por ser um tempo que a competitividade é muito grande é
necessário inovar e atender o mercado reduzindo custos que é o principal foco de um
cliente.
De acordo com Back et al (2008, p.165) sustentam que: “A ideia do produto também
pode ser entendida como uma especificação de oportunidade, a qual deve conter uma ideia
central chamada de benefício básico, [...] conter todos os fatores determinantes do sucesso
comercial do produto e deve ser devidamente justificada. ”
O planejamento do produto deve buscar o esvaziar de ideias, ou seja, selecionar as
mais favoráveis e que podem dar um bom resultado é hora de estreitar a Brainstorm. Zaions
(2014) define as principais questões relacionadas ao planejamento de produtos:
● Quais são as tecnologias existentes e aqueles promissores durante um
período determinado;
● Como serão avaliadas as tecnologias e seus impactos;
● Quais serão os planejamentos referentes às produções e capacidade da
organização de desenvolvimento;
● Qual o tempo necessário para obter retorno financeiro.

Figura 12. Fluxograma Planejamento de Produto
Fonte: (Os autores, software xmind)

3.4 PLANEJAMENTO DE PROJETO

Back et al. (2008) afirmam que essa etapa do projeto tem por objetivo o
planejamento de um novo projeto, seguindo estratégias, é definida toda estrutura do
projeto, determinando todos os envolvidos, a forma construtiva, forma de comunicação, o
escopo do projeto e os cronogramas a serem seguidos.

3.4.1 Projeto Informacional

O projeto informacional como o nome sugere é o momento de levantar todas as
informações necessárias e pertinentes para o produto ser desenvolvido, principalmente as
necessidades do cliente que serão basicamente os requisitos definidos na linguagem usual
do projeto, assim Zaions (2014) define o projeto informacional.
Os fatores que influenciam no projeto devem ser listados nesta etapa, para
estabelecer as especificações do projeto deve-se avaliar e listar todas as necessidades do
cliente que serão posteriormente os requisitos do projeto tendo como principais requisitos
segurança, confiabilidade, funcionalidade. O projeto informacional pode ser definido pela
Figura 13:

Figura 13. Fluxograma Projeto informacional
Fonte: (Os autores, software xmind)

3.4.2 Projeto Conceitual

Definido por Back et al. o projeto conceitual tem por finalidade o desenvolvimento
da concepção do produto. A estrutura funcional do projeto nesta etapa precisa ser definida
juntamente com as funções e sub funções, partindo-se então para o estudo das estruturas
alternativas.
Selecionar o a alternativa adequada por meio da comparação entre todas as opções,
considerando as especificações do projeto, o custo, os riscos de desenvolvimento,
complexidade entre outros. O fluxograma abaixo mostrará as etapas que devem ser
desenvolvidas durante o projeto conceitual.

3.4.3 Projeto Preliminar

O projeto preliminar é responsável pelo layout final, essa fase consiste no trabalho
sob a orientação da equipe de desenvolvimento e organização da equipe onde sera
distribuída a realização das tarefas de identificação das especificações de projeto,
relacionado aos requisitos de forma, material, segurança, ergonomia, manufatura,
definição dos componentes, tipos de material, processo de fabricação, analise entre outros.
(BACK et al,2008, p.79).
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O projeto preliminar pode ser definido pela Figura 14:

Figura 14. Fluxograma Projeto preliminar.
Fonte: (Os autores, software xmind)

3.4.4 Projeto Detalhado

Segundo Back et al (2008, p81) o projeto detalhado deve ser realizado a construção
e os testes do protótipo, a otimização dos componentes, o plano detalhado de manufatura,
fixação das especificações técnicas, bem como o detalhamento das peças deve ser feito,
todos os manuais devem ser elaborados.
Assim como mostra a Figura 15:

Figura 15. Fluxograma Projeto detalhado.
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Fonte: Os autores

3.5 PLANEJAMENTO DE PESQUISA

A Figura 16 mostras através do fluxograma as etapas do planejamento de pesquisas

Figura 16. Fluxograma Planejamento de pesquisa.
Fonte: (Os autores, software xmind)

3.5.1 Fase I - Planejamento de Pesquisa

Fase inicial do projeto, a qual estabelecerá fundamentos científicos e informações
essenciais para a evolução das seguintes fases.

3.5.1.1 Etapa I – Identificação da metodologia da pesquisa científica

Esta etapa é a base de todas as outras da fase I. A identificação da metodologia será
um mapa para os próximos passos.

3.5.1.2 Etapa II – Descrição da metodologia de projeto para a coleta e análise
de dados

A necessidade de um sistema de queimador e trocador de calor para aquecer água
para as empresas que querem uma caldeira mais eficiente. Fundamentou-se essa etapa com
a análise e processamento de informações utilizando-se a metodologia de Paul e Beitz
(2008).

3.5.1.3 Etapa III – Planejamento de pesquisa

Com o desenvolvimento de possibilidades encontradas na etapa II, a etapa III é
responsável por determinar prazos de todas as atividades e conclusão do projeto através de
um planejamento de atividades.

3.5.2 Fase II – Revisão Bibliográfica

O levantamento de informações é o carro chefe desta fase como é possível observar
nas etapas anteriores. A revisão bibliográfica levantará informações sobre os principais
assuntos necessários para desenvolvimento do projeto de um Sistema de um queimador e
trocador de calor para aquecer água.

3.5.2.1 Etapa IV – Revisão da literatura relacionada com os tipos de
equipamentos relacionados a sistema de um queimador e trocador