Estudo de Caso GreyLogix: Desempenho de Chiller para Cervejaria
Neste estudo avaliamos o comportamento do resfriamento de um tanque com base nas disposições de entradas e saídas para o chiller. Pudemos observar tempo e homogeneidade de resfriamento, perfil de temperatura e efeitos de uma bomba de recirculação no equipamento.
Em um estudo recente para a GreyLogix, a CAEXPERTS simulou modificações em um tanque de solução hidroalcoólica resfriada por chiller externo para investigar o aparente baixo desempenho do equipamento. Através da simulação, conseguimos identificar a origem do problema, propor e avaliar diversas alternativas de solução e seus respectivos desempenho.
O problema: hipóteses e diagnóstico
O sistema é um tanque vertical de 3.500 L com fundo cônico que armazena a solução; uma bomba retira líquido por um bocal lateral, envia ao chiller e devolve mais frio pelo fundo. A meta de processo é manter a solução próxima à -5ºC.
A hipótese inicial da equipe foi de que, como as entradas e saídas do chiller estavam próximas entre si, poderia haver recirculação de fluido, de forma que apenas uma pequena porção do fluido participava efetivamente da troca térmica.
Um estudo preliminar caracterizou o que acontecia na prática e descartou essa hipótese. O fluido frio, mais denso, afundava e se acumulava no fundo, enquanto uma camada quente estagnada permanecia no topo, ocasionando um fenômeno chamado de warm lid. Disso, decorrem duas consequências operacionais:
O resfriamento ficava lento e desigual.
O sensor de saída enganava o operador. Ele lia frio, porque estava exatamente onde o frio se acumulava, enquanto boa parte do volume continuava quente.
Um instrumento que mede corretamente a variável errada é pior que um instrumento descalibrado, pois leva decisões erradas para o restante do processo.
Nos vídeos acima, observamos uma simulação do chiller em seu estado original. É possível observar que não há recirculação, mas uma estratificação do fluido hidroalcóolico. Aqui já há o primeiro ganho com simulação. Algo que podemos visualizar facilmente no vídeo, precisaria de uma intervenção intrusiva no equipamento para ser medida em campo.
Com base nisso, foram levantadas possibilidades de melhoria para evitar a estratificação. Uma alternativa consiste em elevar a sucção do chiller de 0,85 m para 1,35 m. Outra possibilidade seria acrescentar uma bomba de recirculação para ajudar a homogeneizar a mistura.
Antes de simular: construir a régua
Antes de simular as alterações, montou-se um benchmark analítico. Com as paredes tratadas como adiabáticas (inox 304 com 100 mm de isolamento, o que mantém o ganho térmico pelo ambiente abaixo de 2% da capacidade do chiller) e com o retorno fixo em −5 °C, o balanço de energia mostra que a velocidade do resfriamento depende de uma única variável: a temperatura do líquido que chega à sucção do chiller. Num tanque perfeitamente misturado essa temperatura é a média do volume, e o resfriamento seria uma exponencial pura, com 99% concluído em cerca de 4.900 segundos. Esse é o benchmark do reator de mistura perfeita (CSTR), e é contra ele que os três casos foram medidos. Dois números confirmam a consistência do modelo: a carga térmica inicial prevista pelo balanço é de 113,5 kW, contra 115 kW medidos no CFD (1,4% de diferença); e a energia total a remover é de 119,5 MJ, idêntica nos três casos, porque todos partem de +5 °C, terminam em −5 °C e têm paredes adiabáticas. O que muda entre eles não é quanto calor sai é a frequência com o qual esse calor é removido do tanque.
Configuração do Modelo
Simulação transiente no Simcenter STAR-CCM+, passo de tempo de 1 s, monofásica, com empuxo governado pela dependência da densidade com a temperatura através de formulação termodinâmica de misturas (a solução hidroalcoólica é uma mistura de 30% de água e 70% de etanol em massa). Turbulência k-ε Realizable, paredes adiabáticas, condição inicial de +5 °C uniforme, chiller devolvendo a −5 °C com 12 m³/h.
Três configurações foram simuladas:
Caso | Configuração | Regime que emergiu |
Baseline | sucção a 0,85 m (posição original) | estratificação |
Sim 1 | sucção a 1,35 m | deslocamento |
Sim 2 | sucção a 1,35 m + recirculação | mistura |
Baseline
Com a sucção a 0,85 m, o chiller re-aspira parte do líquido frio que ele mesmo acabou de injetar no fundo. O líquido percorre um caminho curto entre o retorno e a captação, e a camada quente do topo fica fora do alcance, ela só esfria por acúmulo, conforme a frente fria sobe lentamente.
Em termos da equação: a temperatura de sucção fica abaixo da média do tanque, então a carga térmica do chiller despenca.
Nessa configuração, a mistura chega à 99% de resfriamento em cerca de 7.500 s, aproximadamente 2 horas, 52% mais lento que a mistura perfeita. Este é o diagnóstico do problema original.
Sim 1: elevação da sucção
Elevando a sucção para 1,35 m, o frio denso entra pelo fundo e enche o tanque de baixo para cima. A sucção, agora mais alta, toca a camada quente do topo e a entrega ao chiller.
Campo de velocidade e linhas de corrente, sem recirculação. O retorno frio entra pelo fundo e o escoamento sobe pela parede até a sucção, no alto — o caminho longo, que faz o chiller enxergar o líquido mais quente do tanque.
Durante os primeiros 700 s, a temperatura lida na saída dos sensores se mantém em +5 °C enquanto a média do tanque já está caindo. A sucção está puxando líquido que ainda não foi resfriado. A estratificação cresce até um pico de deltaT de 9,6 °C entre topo e fundo.
Quando a frente fria alcança a cota de 1,35 m, a temperatura de saída despenca, exatamente no pico do gradiente e a estratificação colapsa.
Campo de temperatura, sem recirculação. A frente fria sobe do fundo como um pistão, consumindo a camada quente de baixo para cima. Repare que a interface se mantém nítida durante boa parte do transiente.
Resultado: 3.040 s para resfriamento de 99%, cerca de 51 minutos, 38% mais rápido que a mistura perfeita.
Nesse caso, a estratificação auxilia no funcionamento do chiller, pois, agora, como ele está puxando um líquido ainda não resfriado, ele consegue manter um diferencial de temperatura bem maior e operar com maior eficiência.
Sim 2: adição de uma bomba de recirculação
Acrescentando o circuito de recirculação, captação pelo dreno central no ápice do cone, retorno pela tampa, a estratificação desaparece. O gradiente entre topo e fundo vai essencialmente a zero. Do ponto de vista de uniformidade, é o melhor resultado possível, mantendo o tanque inteiro na mesma temperatura, em qualquer instante.
Campo de temperatura, com recirculação. Compare com o vídeo anterior: não há frente nítida. O tanque resfria como um bloco, uniformemente — e mais devagar.
Campo de velocidade, com recirculação. O segundo circuito injeta quantidade de movimento suficiente para quebrar a estratificação antes que ela se estabeleça.
Resultado: 6.140 s para 99% de resfriamento, 1 h 42 min, 25% mais lento que a mistura perfeita, e o dobro do tempo do Sim 1.
Por que a recirculação atrasa
A taxa de resfriamento depende da diferença entre a temperatura de sucção e a de retorno.
Estratificado (Sim 1): a sucção alta puxa o líquido mais quente do tanque, carga térmica máxima.
Homogeneizado (Sim 2): a sucção passa a ver a média, carga térmica igual ao da mistura perfeita.
A recirculação não remove calor, ela apenas redistribui. Ao destruir a estratificação, joga fora a vantagem do deslocamento e empurra o sistema de volta para o limite de mistura perfeita.
Há ainda um detalhe que colocou o Sim 2 abaixo do teto da mistura perfeita, em vez de exatamente nele. O retorno da recirculação entra pela tampa e desce; a sucção do chiller está a 1,35 m, do mesmo lado do tanque e próxima em cota. Parte do fluido já resfriado volta à sucção antes de varrer o fundo, o que puxa a temperatura de sucção ligeiramente abaixo da média, e a carga térmica junto. A constante de tempo efetiva medida no CFD foi de 1.315 s, contra os 1.055 s do caso ideal.
Resultados
| Sim 1 — só elevar a sucção | Sim 2 — + recirculação |
Estratificação (ΔT topo–fundo) | 9,6 °C, transitório | ≈ 0 °C |
99% resfriado | 3.040 s (~51 min) | 6.140 s (~1 h 42) |
Regime de escoamento | deslocamento | mistura |
A recomendação foi, portanto:
Prioridade em tempo de batelada: elevar a sucção, sem recirculação. Resfria 2,5 vezes mais rápido que a configuração original.
Prioridade em uniformidade térmica: acrescentar a recirculação, ao custo de dobrar o tempo.
Em qualquer cenário, elevar a sucção de 0,85 m para 1,35 m é ganho garantido, resolve o problema que motivou o estudo. A recirculação é um nível adicional de uniformidade, e só se paga se o processo exigir ausência de gradiente.
Conclusões
Com o CFD quantificamos um trade-off que não estava disponível por intuição, por correlação de projeto nem por medição no equipamento existente. Com os números na mesa, a decisão deixa de ser técnica e passa a ser de processo, que é exatamente onde ela deve estar.
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