MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CONCEPÇÃO E FABRICAÇÃO DE UM ACUMULADOR TÉRMICO COM MENOR INÉRCIA TÉRMICA por Diego Dziuba Vinícius Augusto Crema de Vasconcelos Trabalho apresentado à disciplina ENG03108 Medições Térmicas pertencente ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos de avalição. Porto Alegre, 15 dezembro de 2014

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3 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica CONCEPÇÃO E FABRICAÇÃO DE UM ACUMULADOR TÉRMICO COM MENOR INÉRCIA TÉRMICA por Diego Dziuba Vinícius Augusto Crema de Vasconcelos ESTE TRABALHO FOI JULGADO ADEQUADO COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA A APROVAÇÃO NA DISCIPLINA ENG03108 MEDIÇÕES TÉRMICAS APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAMECÂNICA Profª. Drª. Thamy Cristina Hayashi Coordenadora do Curso de Engenharia Mecânica Área de Concentração: Ciências Térmicas Orientador: Prof. Dr. Paulo Smith Schneider Comissão de Avaliação: Profª. Drª. Letícia Jenisch Rodrigues Porto Alegre, 15 de dezembro, iii

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5 AGRADECIMENTOS Os integrantes deste trabalho agradecem os demais colegas de turma pela prestatividade em auxiliar durante os ensaios de teste, assim como pelo compartilhamento de conhecimentos e materiais nesta etapa. É mencionado o esforço da equipe do LETA para que este experimento fosse bem sucedido. Assim como, pelo desempenho por parte do corpo docente responsável por esta disciplina, os nossos sinceros agradecimentos. v

6 DZIUBA, D.; VASCONCELOS, V. A. C.; Concepção e Fabricação de um Acumulador Térmico com Menor Inércia Térmica p. Trabalho de Conclusão de Disciplina Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Este trabalho apresenta um estudo e fabricação de um acumulador térmico e desenvolve modelos de peças de melhor desempenho frente à estocagem e liberação de energia térmica oriunda de correntes de ar quente providas da bancada instalada no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos LETA UFRGS. O acumulador térmico foi concebido com o intuito de, em um menor tempo de resposta possível, armazenar a energia térmica do ar aquecido. Para tanto, finas placas paralelamente dispostas em formato de longas aletas e suportadas em uma base retangular elevada foi definida como a geometria com a melhor capacidade de absorção e descarga de energia térmica. Os critérios do edital no que tange à massa do protótipo e utilização de um único material para concepção do acumulador foram cumpridos. Já na fabricação buscou-se a melhor planicidade e alinhamento de todas as aletas do protótipo. A norma ASTM D648 foi observada e ajustes na estrutura do elemento foram realizados no quesito deflexão após carregamento térmico em teste em bancada. Em teste, os instrumentos, devidamente calibrados, PT100 e tubo de Pitot foram utlizados para levantar dados referentes à temperatura e velocidade do escoamento, respectivamente. Após primeiras experiências, foi observado o comportamento do acumulador na câmara de testes. Notou-se uma rápida variação de temperatura e descarregamento quando este foi inserido na seção de testes a uma temperatura ambiente. Assim, este comportamento confere ao equipamento desenvolvido as características termo-físicas requisitadas em edital. PALAVRAS-CHAVE: acumulador térmico, inércia térmica, tempo de resposta. vi

7 DZIUBA, D.; VASCONCELOS, V. A. C.; Design and Manufacture of a lower Thermal Inertia Heat Condenser p.trabalho de Conclusão de Disciplina Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT This work presents study and manufacturing procedures of a heat condenser. The developing models through the best performance parts onto thermal energy storage and release from hot air source located at the countertop of Laboratório de Ensaios Térmicos e Energéticos - LETA UFRGS. The heat condenser is designed in order to, after a short delay of time, store the thermal energy of the heated air. For this purpose, thin long format plates parallel arranged fins and supported in an elevated rectangular base was defined as the geometry of a part with improved capacity to absorb and discharge heat energy. The guidelines of the criteria due mass of the prototype and the use of a single material to design the heat condenser have been met in this work. Manufacturing soughts to better flatness and alignment of all the fins were also achieved. ASTM D648 was followed and adjustments in the structure of the element were performed for bending deflection after thermal loading test. During tests, the instruments properly calibrated, PT100 and Pitot tube were utilized to gather data regarding temperature and flow velocity. After first experiments, were observed the capacitance behavior in the test chamber. It was noted a rapid gain in energy and unloading when it is inserted into the test section from an ambient temperature. Therefore, this behavior gives the developed equipment the thermophysical characteristics required in the announcement of guidelines. KEYWORDS: heat condenser, thermal inertia, delay of time. vii

8 Índice LISTA DE FIGURAS... ix LISTA DE SÍMBOLOS... ix 1. Introdução Objetivos Fundamentação Teórica Metodologia Resultados Conclusões Referências Bibliográficas viii

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Tempo de resposta tcd Figura 2: Camada limite hidrodinâmica sobre uma placa plana Figura 3: a) Medição de pressão estática, b) medição de pressão de estagnação, c) Esquema de montagem de um tubo de Pitot. (Fonte: Departamento de Química, universidade de Coimbra) Figura 4 Fabricação das peças. Figura 5 e 6 Projeto original e a peça de resina epóxi cristal para teste em bancada Figura 7 e 8 Tubo de Pitot Construído pelos alunos Figura 9 Foto do PT100 usado para medição da temperatura Figura 10 Esquema de montagem da bancada de ensaios Figura 11 Seção de ensaio Figura 12 Foto da peça deforma após ensaio em bancada Figura 13 Calços fabricadas para evitar deformação LISTA DE SÍMBOLOS tcd tempo de resposta ; Temperatura de operação ; V Velocidade (m/s); A Área (m²); Δp Variação da Pressão (Pa); Po Pressão de Estagnação (Pa); P Pressão Estática (Pa); g aceleração da gravidade (m/s²); h Altura (m); ρ Densidade (kg/m³); ix

10 1. Introdução 1 Este trabalho visou desenvolver um acumulador térmico fabricado através de resina poliéster cristal com o intuito de ensaiá-lo em uma bancada de testes a fim de verificar o menor tempo de resposta possível para um regime de acumulação e descarga de energia térmica de uma corrente de ar quente. Ensaios conhecidos como caracterização das propriedades térmicas de um corpo em um regime dinâmico com tendência assintótica ao regime permanente em câmaras controladas são vastamente empregados nos campos da ciência e engenharia para determinação destas propriedades dos materiais [Santos, 2003]. Hoje são conhecidos vários métodos para a determinação da condutividade térmica e difusividade térmica. Os métodos transientes de troca de calor têm sido os métodos preferidos na determinação destas propriedades de materiais [Kneer, 2006]. Foi apresentada a fundamentação teórica dos fenômenos de troca de calor em escoamentos externos, assim como a concepção de experimento prático respaldado pelos conhecimentos científicos explanados. Resultados práticos após testes levantados com instrumentação determinada pelo grupo e instaladas na bancada também foram apresentados. 2. Objetivos Conceber, construir e ensaiar um acumulador que apresente o menor tempo,, de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica (calor) possível, quando submetido a uma corrente forçada de ar, a temperatura prescrita de operação,. O comportamento de carga e descarga térmica pode ser visto na Figura 1 abaixo: Figura 1 Tempo de resposta,.

11 O material utilizado para fabricar o acumulador: Resina Poliéster Ortoftálica Cristal com em massa. Desenvolver a instrumentação para aferição de temperatura e vazão de ar necessária e pertinente para o ensaio Fundamentação Teórica Um acumulador térmico é um componente destinado a estocar de energia térmica com o intuito de realimentar outro circuito térmico em aplicações distintas àquelas somente de armazenagem térmica. Ensaios conhecidos como caracterização das propriedades térmicas de um corpo em um regime dinâmico com tendência assintótica ao regime permanente são empregados vastamente em diversos campos da ciência para determinação das propriedades térmicas dos materiais e influência geométrica nesta análise. Para um acumulador térmico as seguintes propriedades devem ser observas a fim de cumprir com os requisitos determinados em edital. Inércia térmica: Capacidade de um material armazenar e liberar calor. Um material com pouca inércia térmica segue muito próximo a variação da temperatura externa ambiente. Já o oposto, com uma inércia infinita, a temperatura interna não sofreria variação frente ao ambiente que este está localizado. Nesta situação é possível comparar a razão entre o calor absorvido e calor armazenado nos materiais e identificar a dependência entre a capacidade térmica do material que o compõem, principalmente em sua envoltória, caso venha ser composto por diversos elementos. O conceito de massa térmica refere-se à combinação da densidade da espessura do material, pois se o calor específico da resina poliéster cristal encontra-se na faixa [ICCET, 2014]. A capacidade térmica dos componentes deste acumulador são relacionados a uma dependência à massa total da bancada de teste. Já o atraso térmico é definido como sendo o tempo que leva uma diferença térmica ocorrida em um dos meios para manifestar-ser na superfície oposta do elemento em questão. O atraso depende dos parâmetros que intervêm no processo de transmissão de calor por condução e convecção (condutividade térmica, calor especifico, densidade absoluta, e espessura) em regime transiente. [Rivero, 1986].

12 3 Como este experimento encontra-se em uma câmara alimentada com ar quente insuflado escoamento forçado é assim caracterizada uma troca de calor por convecção sobre superfícies externas. Nesta situação, efeitos de escoamento turbulento são observados. A condição de escoamento turbulento afeta consideravelmente a potência requerida para bombeamento de ar e diretamente os coeficientes convecção para transferência de calor. Segundo Kreith 1977, a camada-limite de um fluido que escoa sobre a superfície de uma placa descola-se quando a elevação de pressão ao longo da superfície apresentar um elevado gradiente adverso de pressão com relação ao sentido do escoamento. Neste contexto, o fluido ar admitido adere às paredes do acumulador na entrada da seção de teste. A velocidade do fluido junto à parede das aletas e superfícies é igual à velocidade da parede sólida, sendo esta a condição de não deslizamento. (Figura 2) Condição esta em que a velocidade é nula em relação às fronteiras (paredes) e limitando o escoamento. Figura 2 Camada limite hidrodinâmica sobre uma placa plana. Existem diversas maneiras de medir vazão volumétrica. Dentre as mais simples está a utilização de um tubo de Pitot. Seu princípio é baseado na medição por pressão diferencial, onde um elemento provoca uma diferença de pressão e através dessa variação é possível medir a vazão, como mostra a figura a seguir:

13 4 Figura 3 a) Medição de pressão estática, b) medição de pressão de estagnação, c) Esquema de montagem de um tubo de Pitot. (Fonte: Departamento de Química, universidade de Coimbra) Portanto, é necessário ter duas pressões bem definidas e comparáveis. A primeira fonte de pressão é a pressão de estagnação e a segunda tomada de pressão é de pressão estática, que é a pressão atuante nas paredes do tubo. A diferença de pressão é conhecida como pressão dinâmica [SCHNEIDER, 2012]. Através da equação de Bernoulli, com as devidas simplificações, é possível descobrir a velocidade de escoamento através da equação abaixo: Sendo Po a pressão de estagnação e P a pressão estática. Também sabe-se que a diferença de pressão pode ser encontrada através da expressão abaixo: Com o valor da velocidade, é possível calcular a vazão volumétrica do ar através da seguinte equação: Para a medição de temperatura, foi utilizado um PT-100, que nada mais é que uma termo resistência de platina, onde, para 0 graus Celsius, obtêm-se uma resistência de 100Ω. Conforme a temperatura vai aumentando, o valor da resistência elétrica também sofre um acréscimo. Munidos da equação do equipamento, podemos determinar a temperatura do escoamento com base no valor da resistência elétrica obtido em um multímetro. 4. Metodologia

14 5 Tendo em vista o objetivo do trabalho, optou-se por fabricar uma peça que tivesse a maior área superficial, possibilitando uma maior troca de calor para um quilo de resina poliéster cristal. Além disso, também foi pensado em diminuir ao máximo a perda de carga, optando-se por fazer uma peça com aletas no sentido do fluxo de ar. Buscou-se desde o início do projeto, Figura 4 Fabricação das peças. fazer uma peça que tivesse a menor espessura de parede possível. Para isso, foi usada uma bandeja de silicone, no formato de 0,2 x 0,2m, conforme pode ser visto na Figura 4. As peças foram fabricadas peças em formato 0,2 x 0,2m, com espessura de cerca de 0,003m. De acordor com os cálculos realizados e de acordo com a densidade da resina, poderiam ser fabricadas entre seis e sete placas. O projeto inicial era usar uma placa de 0,2m x 0,2m como base e depois cortar as outras peças na metade, dando um total de 10 aletas, com área superficial total de 0,48m². Como a base das aletas seria a base da própria peça, perder-se-ia a área superficial da parte de baixo (0,04 m²). Isso foi resolvido colocando duas peças como base, deixando a área superficial da peça debaixo livre, e aumentando ainda um pouco mais a área de troca de calor pela colocação das novas peças, com áreas de 0,12 m² cada uma. O projeto original e a peça fabricada, pode ser vista nas figuras 5 e 6. 0,133 m 0,2m Espessura Placas: 0,003m Figura 5 e 6 Projeto original e a peça de resina Poliéster cristal para teste em bancada

15 6 O material utilizado para fabricar o acumulador foi a resina baixa reatividade e préacelerada de poliéster insaturado, ortoftálica que apresenta no estado líquido viscosidade média, alta transparência e ausência de coloração. Após cura, apresenta rigidez, alta transparência e cristalinidade. Esta resina contém produtos que podem ser perigosos se não forem manuseados adequadamente. O contato com a pele e olhos deve ser evitado e o uso de EPIs (Equipamentos de Proteção Individual) fez-se necessário para manusear este componente. Para atender as exigências do edital (ver anexo 1), a citar, medição de vazão do ar entre o medidor de vazão do LETA e do aquecedor, também medir a temperatura do ar na saída da seção de ensaio, foram usados os seguintes equipamentos: Tubo de Pitot: foi escolhido o tubo de Pitot para medição da vazão devido a facilidade de construção, pois foi necessário apenas um tubo de PVC de 0,1m de diâmetro e dois tubos de cobre de diâmetro 0,006m. O tubo de Pitot fabricado pelo grupo para medição da vazão, pode ser visto nas figuras abaixo: Figura 7 e 8 Tubo de Pitot. PT-100: foi escolhido o PT-100 porque dá uma boa leitura da temperatura, e como a resistência dele é muito maior que dos termopares, leva vantagem nesse aspecto. Em relação ao NTC, leva vantagem por ter uma variação linear da resistência em função da temperatura Na figura 9, pode ser visto o esquema de montagem da bancada de ensaios, bem como aonde serão instalados os medidores de temperatura e vazão feita pelos alunos. Na figura 10, pode ser vista a seção de ensaios onde será coloca a peça projeta pelos alunos.

16 7 Figura 9 Foto do PT100 usado para medição da temperatura Figura 10 Esquema de montagem da bancada de ensaios 4.1 Calibração Calibração do Sensor de Temperatura O instrumento de medição escolhido, o PT-100, teve de ser calibrado afim de determinar seu equacionamento de operação. Foi utilizado outro PT-100, calibrado, como referência. Foram coletados dados em duas situações, a Tabela 1, mostra abaixo os dados coletados: Tabela 1 Dados de Calibração do PT-100

17 A partir desses dados, foi plotado o seguinte gráfico: 8 Figura 11 Gráfico obtido da calibração do PT-100 A equação de operação para o instrumento de medição. A temperatura em graus Celsius, a partir de um valor de leitura de resistência, em Ω, é dada pela equação 4: 4.2 Incerteza de Medição Para um PT-100 de classe A, como é o nosso caso, temos incerteza de ± 0,15 + (0,002T) C, resultando em 65 C ± 0,28 C. Na medida de vazão, os erros dão-se em função da resolução do manômetro utilizado para leitura da altura do fluído manométrico. O manômetro utilizado possui uma resolução de 1 mm, ou seja, ± 1mmCA. Dessa forma, a incerteza de medição em termos de vazão representa ± 0,0005 Kg/s de modo que a vazão medida, justamente com a incerteza de medição é de 0,02236 ± 0,0005 Kg/s.

18 9 5. Resultados Os resultados medidos no laboratório para o trocador de calor, foi muito parecido para ambos os grupo, variando entre 5 e 6ºC. Isso se deve ao fato que para colocar a peça no local de ensaio, é necessário abrir o compartimento da seção, ocasionando a fuga do ar quente, variando a temperatura de saída sem a colocação da peça. No entanto, em pouco mais de 3 minutos de ensaio, a peça acumulou bastante calor, podendo ser verificado pelo calor da peça ao toque e pela deformação da peça sofrida pelo fluxo de ar. Acredita-se que devido ao formato da peça com aletas finas, a peça realizou uma boa acumulação/descarga de energia. Na foto abaixo, é possível notar a deformação que a peça sofreu devido ao fluxo de ar quente. Nota-se a deformação tanto na placa que serve como base para as aletas, como nas próprias aletas. Figura 12 Foto da peça deforma após ensaio em bancada Em virtude peça ter deformado por causa do grande acúmulo de energia térmica absorvida, foi necessário colocar duas pequenas peças cilíndricas (calços) de 0,016 m de diâmetro por 0,03m de altura, com peso de 0,008 kg cada. Como a peça estava com peso de 1,020 kg e o peso permitido pelo edital era de até 1,050 kg, a peça ainda fica dentro dos dados permitidos pelo edital. Com a inclusão das duas pequenas peças cilíndricas, a base das aletas não houve a deformação e manteve o formato original, pois a deformação prejudicaria o escoamento do ar na parte debaixo da base das aletas, bem como o escoamento do ar entre as aletas. Ambos os calços foram instalados na parte central da peça, com espaçamento igual entre ele. Os calços fabricados para evitar a deformação da peça, podem ser vistos na figura a seguir:

19 10 Figura 13 Calços fabricadas para evitar deformação 6. Conclusões Após primeiras experiências, foi observado o comportamento do acumulador na câmara de testes. Notou-se uma rápida variação de temperatura e descarregamento quando este foi inserido na seção de testes a uma temperatura ambiente. Assim, este comportamento confere ao equipamento desenvolvido as características termo-físicas requisitadas em edital. Após pouco mais de 3 minutos de ensaio, iniciando a temperatura ambiente, a peça acumulou bastante calor, podendo ser verificado pelo calor da peça ao toque e pela deformação da peça sofrida pelo fluxo de ar. Devido ao formato da peça com aletas finas, a peça realizou uma boa acumulação/descarga de energia.

20 7. Referências Bibliográficas 11 Kneer, R. Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen, set. 15 jan. 2013/14. Notas de Aula. Digitalizado. Kreith, F. Princípios da Tranmissão de Calor. São Paulo: 3 ed. Editora Edgar Blücher, p. Santos, W. N. et al, Propriedades térmicas de polímeros por métodos transientes de troca de calor.polímeros: Ciência e Tecnologia, São Carlos, vol. 13, nº 4, p , Schneider, P. S. Medição de Pressão em Fluidos. 7 ed. Porto Alegre. Notas de Aula. Digitalizado. 27 p. RIVERO, Roberto. Arquitetura e Clima: acondicionamento térmico natural. 2 ed. D.C. Luzzato Editores, Porto Alegre, ICCET. Prontuario de Soluciones Constructivas / Materiales. Disponível em: Acesso em: 12 de Nov. de 2014.