UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROJETO DE UM COLETOR SOLAR DE AR COM ALETAS DE ALUMÍNIO EM SEMICÍRCULOS por Lucas Batista Kaiser Ricardo André Trevizan Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014

2 RESUMO Este trabalho tem como objetivo projetar um coletor de ar solar para que se consiga uma melhor relação de ganho de temperatura e vazão mássica de ar. O coletor foi projetado seguindo fundamentos de mecânica dos fluidos e transferência de calor e massa, no qual, ao longo de seu comprimento, foi feita uma configuração aletada de chapas de alumínio pintadas de preto fosco de forma a se obter a maior área de incidência de radiação solar possível, mas que ao mesmo tempo não provocasse uma perda de carga considerável. Então, foi utilizado formas de meios cilindros e meias parábolas para o coletor. Para o cálculo de vazão mássica, foi utilizado um tubo de Pitot e um manômetro, nos quais foi encontrada uma vazão de 0,0317 kg/s. Para a medição de temperatura, foram utilizados dois termopares, em que um aumento de temperatura de 18,32 C foi encontrada. Os resultados se demonstraram satisfatórios, pois mesmo com uma boa vazão mássica se conseguiu um bom ganho de temperatura durante o experimento. Palavras-Chave: Coletor de ar solar, Vazão mássica, temperatura, aletas.

3 ABSTRACT This work aims to design a solar air collector to achieve a better ratio of temperature gain and mass flow of air. The collector was designed following fundamentals of fluid mechanics and heat and mass transfer, which, along its length, was made a configuration finned aluminum sheets painted in a matte black colour in order to get the highest incidence area of solar radiation as possible, but at the same time did not cause a considerable loss of load. Then, were used forms of media cylinders and half parables for the collector. To calculate mass flow, a Pitot tube and a manometer, in which a flow rate of kg/s was found. For temperature measurement, two thermocouples were used, was found a temperature increase of C. The results showed to be satisfactory, because even with a good mass flow could be a good temperature gain during the experiment. Key words: solar air collector, mass flow, temperature, fins.

4 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema de avaliação do coletor solar (Edital do Trabalho)... 1 Figura 2 - Esquema do tubo de Pitot (Schneider, 2012)... 2 Figura 3 - Manômetro de tubo U... 3 Figura 4 Vista mostrando configuração das aletas no coletor... 5 Figura 5 Medidas referentes à montagem da caixa do coletor em milímetros Figura 6 - Coletor solar em construção: Vista superior... 6 Figura 7 Coletor solar em construção: Vista da entrada de ar... 7 Figura 8 Tubo de Pitot construído para medição de vazão do coletor... 7

5 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de medição (x coordenada adimensional para tubos de seção retangular, r coordenada adimensional para tubos de seção circular, w fator peso) (Delmée, 1983)... 3 Tabela 2 Tabela de propriedades do ar à pressão atmosférica (Fox, 2010)... 4 Tabela 3 Resultados máximos das medições de temperatura através do Termopar tipo J Tabela 4 Resultado das velocidades nos pontos de medição... 9 Tabela 5 Resultado da vazão mássica na saída do coletor... 9

6 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA VELOCIDADE MÉDIA VAZÃO MÁSSICA TAXA DE CALOR TRANSFERIDO MEDIÇÃO DE TEMPERATURA CASO MONTAGEM DO COLETOR INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO MEDIÇÃO NA BANCADA RESULTADOS E ANÁLISES ANÁLISES CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXOS... 12

7 1 1. INTRODUÇÃO Como parte da avaliação da disciplina de Medições Térmica, foi proposto um trabalho de estudo e montagem de um protótipo de um coletor solar para aquecimento de ar. Este trabalho foi realizado em forma de concurso, onde seriam avaliados diversos tópicos de estudo, como a medição de temperatura e vazão, mecânica dos fluidos e transferência de calor e massa. O coletor solar para aquecimento do ar foi proposto para aumentar a eficiência de um secador de frutas solar instalado na Quinta da Estância, na área rural da cidade de Viamão/RS. Para que ocorra a secagem das frutas, o coletor solar é abastecido pela incidência de radiação solar nele, aquecendo o ar que passa por dentro da sua região. A partir do aquecimento, o ar sobe e vai em direção à câmara de secagem, isto é, a região em que as frutas estão dispostas. Nesse caso, a eficiência significa que tenha um grande aumento de temperatura, mas com uma vazão de ar que seja possível alimentar a câmara de secagem. Dentro da câmara, existe um acumulador de energia térmica, que mantem a temperatura alta, fazendo a secagem das frutas. Para o estudo, cada grupo criou uma configuração de coletor solar, onde a melhor seria montada em maior escala na Quinta da Estância e usada em trabalhos futuros. Para a análise dos coletores, foi montada no LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos) uma bancada experimental onde o esquema pode ser visto na figura a seguir. Figura 1 - Esquema de avaliação do coletor solar (Edital do Trabalho) A figura mostra que um ventilador irá simular a vazão de ar que entra no coletor, assim como a radiação solar será simulada por várias lâmpadas dispostas acima do protótipo. Também deverá ser feita a medição de temperatura e vazão do protótipo usando instrumentos de propriedade dos integrantes dos grupos. Com isso, é dito que o objetivo do trabalho é de aumentar a eficiência do coletor solar e também que seja feita a correta medição de temperatura e vazão, conforme foi estudado na disciplina. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Coletores de ar solar são componentes simples, mas existem diversas maneiras e caminhos para que seja aperfeiçoado.

8 2 De acordo com o artigo de (Abene, Dubois, Le Ray, & Ouagued, 2004), o uso de aletas metálicas impondo uma pequena perda de carga e grande área de contato com o ar, transferindo calor por convecção, mostrava um significante acréscimo na eficiência térmica do coletor. Segundo Karsli, 2007, que fez comparações entre diferentes geometrias de aletas em coletores solares, comprova que quanto maior a área de contato e maior for a perda de carga entre aletas e ar, maior será seu rendimento térmico, contudo, isso implica numa menor vazão mássica. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 VELOCIDADE MÉDIA O tubo de Pitot é um instrumento utilizado para medir velocidades de fluidos. Ele mede a pressão de estagnação (ou total) e estática do escoamento. A seguir, encontra-se uma figura que mostra o funcionamento de um tubo de Pitot. Figura 2 - Esquema do tubo de Pitot (Fonte: SCHNEIDER, 2012) A pressão dinâmica será a diferença entre estas duas pressões conforme a equação a seguir: Pela equação de Bernoulli, conforme visto em Fox et al., 2010, sabe-se que: Sabendo que o manômetro é um tubo em U que apresenta a configuração da figura a seguir:

9 3 A equação de Bernoulli resulta em: ( ) ( ) Figura 3 - Manômetro de tubo U Onde em um lado está a pressão de estagnação e do outro a pressão estática. Isolando a incógnita velocidade do ar, V ar, chega-se a equação, conforme visto em Schneider, 2011: O tubo de Pitot é capaz de medir a velocidade em um determinado ponto do escoamento. Segundo Delmée, 1983, a adequação da velocidade media pode ser obtida através da medição da velocidade em diferentes pontos através da equação: Sendo V i as diferentes velocidades para cada ponto escolhido e w i seus respectivos pesos, respeitando o método escolhido para cálculo, como mostra a tabela a seguir (tabela 1): Tabela 1 - Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de medição (x coordenada adimensional para tubos de seção retangular, r coordenada adimensional para tubos de seção circular, w fator peso) (Fonte: DELMÉE, 1983)

10 4 3.2 VAZÃO MÁSSICA A vazão mássica é obtida através da equação a seguir: onde é a vazão mássica, é a massa especifica, é a velocidade média do ar no tubo e é a área do tubo. A massa específica é dependente da temperatura do ar, que pode ser encontrada na tabela a seguir: Tabela 2 Tabela de propriedades do ar à pressão atmosférica (Fonte: FOX et al., 2010) 3.3 TAXA DE CALOR TRANSFERIDO A taxa de calor transferida, conforme visto em Incropera et al., 2011, é dada pela equação a seguir: ( ) onde é a taxa de calor transferida do ar, é a vazão mássica, é o calor especifico e a temperatura de entrada e saída. 3.4 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Os termopares são um tipo de instrumento utilizado para medir diferenças de temperatura. Seu funcionamento consiste em dois condutores com propriedades distintas, que são unidos em uma das extremidades e quando suas extremidades sofrem uma diferença de temperatura, uma tensão entre as juntas é gerada, e usando um dispositivo para ler essa tensão (multímetro), com o auxilio de tabelas especificas se encontra a diferença de temperatura que causou essa tensão.

11 5 4. CASO 4.1 MONTAGEM DO COLETOR Para que ocorra um maior aquecimento do ar, foi desenvolvido um coletor solar em que seu projeto foi baseado em três ideias fundamentais: o uso de uma forma de aleta de metal, isolamento térmico e pintura de tinta preta fosca. Conforme visto em pesquisas, utilizar uma forma de aleta dentro da região que entrará em contato com a fonte de calor e com o fluido em movimento, seria a opção mais eficiente. Para a montagem, os materiais utilizados foram latas de alumínio, retiradas do consumo de cervejas. Elas foram recortadas utilizando uma serra cortadora de metal de forma que fosse aproveitada maior área de material plana. A figura a seguir mostra como foi feita a montagem das aletas. Figura 4 Vista mostrando configuração das aletas no coletor O formato de arcos foi escolhido para a montagem das aletas do coletor. Deste modo, temos a incidência de radiação em toda a sua área e pouca interferência no escoamento de ar. Possui duas configurações de filas, onde uma possui duas aletas em formato semicircular e a outra com duas aletas com formato de meia parábola e uma aleta em semicírculo. Assim, é garantida uma variação de direção do ar, mas mantendo a direção principal, e tendo frações variadas deste ar em contato com o metal aquecido. O isolamento térmico visa minimizar a transferência de calor em regiões que não serão aproveitadas. Assim, foi proposta a utilização de um isolante térmico nas paredes do coletor. Os materiais utilizados foram chapas de isopor com 10 mm de largura, devido a sua facilidade de montagem, preço e condutividade térmica com valor muito reduzido. O uso de tinta preta foi proposto para que ocorresse grande absorção da radiação no metal e pouca emissão, visando uma maior temperatura no coletor. Para isso foi pintada toda área que estaria em contato com a luz. Nas aletas foi utilizado spray de tinta preta fosca e nas paredes, que consistem nas chapas de isopor, foi utilizada tinta guache preta.

12 6 caixa. As dimensões mostradas na figura a seguir serviram como base para a montagem da Figura 5 Medidas referentes à montagem da caixa do coletor em milímetros. A caixa foi construída de forma que suas medidas internas correspondiam a 1000 mm de comprimento, 340 mm de largura e 170 mm de altura. As dimensões do edital para a colocação da entrada e saída da vazão de ar do coletor, ou seja, 300 mm de largura e 150 mm de altura, foram correspondidas através do uso das chapas de isopor, onde em algumas paredes foram utilizada camadas duplas. Por último, foi colocado um vidro de 4 mm no topo da caixa do coletor solar. Esse vidro é transparente e garante o efeito de estufa. A seguir encontra-se a figura do coletor do experimento em construção. Figura 6 - Coletor solar em construção: Vista superior

13 7 Figura 7 Coletor solar em construção: Vista da entrada de ar 4.2 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO A instrumentação do experimento buscava avaliar os seguintes fenômenos: diferença de temperatura e vazão mássica. Para medir a diferença de temperatura foram utilizados dois termopares tipo J, um posicionado ao centro do tubo antes da entrada do coletor e o outro após a saída. Para medir a vazão mássica foi construído um tubo de Pitot, feito a partir de um tubo de cobre de 1/4 e dobrado com um dobrador de tubos, cedido pelo LETA. A figura a seguir mostra o tubo de Pitot construído para o experimento. Figura 8 Tubo de Pitot construído para medição de vazão do coletor O termopar utilizado sendo standard do tipo J apresenta um erro de medição de mais ou menos 2,2 C e sua escolha foi devido ao seu baixo custo, fácil manuseio e por ter uma tolerância aceitável.

14 8 4.3 MEDIÇÃO NA BANCADA Para realizar a medição, primeiro é necessário colocar o experimento em funcionamento. Foi colocado o coletor solar na bancada experimental e as luzes foram ligadas. É esperado um tempo para que o conjunto se aqueça para que o experimento não seja tão influenciado pela inércia térmica dos materiais. Após serem feitas as conexões com coletor, sem vazamentos, o ventilador é ligado. A medição de temperatura é feita através da conexão dos termopares tipo J nos tubos de PVC com 100 mm de diâmetro em cada, colocados antes da entrada e após a saída de ar. Para uma melhor medida, eles foram posicionados de forma a ficarem bem centralizados nos tubos. A tabela com os valores O tubo de Pitot foi colocado em quatro posições, de moda a obter quatro pontos de medição. Esses pontos foram utilizados para a medição da velocidade média pelo método de Gauss. Para o posicionamento, foi utilizado um apoio para Pitot cedido pelo LETA que possuía uma cremalheira com engrenagem, aonde pode ser feita a diferença de altura precisão. Os pontos escolhidos foram: 10mm, 20mm e 40mm distantes da parede do tubo e um junto a mesma. 5. RESULTADOS E ANÁLISES Os resultados das medições realizadas na bancada utilizando o termopar tipo J e o tubo de Pitot encontram-se a seguir. A Tabela a seguir mostra resultados do Termopar tipo J. Tabela 3 Resultados máximos das medições de temperatura através do Termopar tipo J. Termopar tipo J Tensão Elétrica (mv) Diferença de Temperatura (ºC) Entrada - 0,13-2,58 Saída + 0,8 15,74 A medição é feita através da diferença de temperatura da entrada e da saída em relação ao ambiente do laboratório. A tensão elétrica mostra um valor negativo, porque a temperatura do ambiente estava maior do que no ar passando no tubo anterior ao coletor. Ou seja, a temperatura na entrada estava 2,58 ºC menor. A temperatura na saída se encontra 15,74 ºC acima da temperatura do ambiente do laboratório. Assim, podemos concluir que a diferença de temperatura entre a entrada e a saída foi de 18,32 ºC. A temperatura do ambiente encontrava-se a aproximadamente de 26,1 ºC. Deste modo, é possível saber a temperatura na saída de 44,42ºC. Com esse dado também tem o resultado da massa específica do ar. A Tabela a seguir mostra o resultado das velocidades nos pontos de medição do Tubo de Pitot na saída do coletor.

15 9 Tabela 4 Resultado das velocidades nos pontos de medição Pontos de Medição Distância em Relação à Parede (mm) Altura Manométrica (mmca) Velocidade no Ponto (m/s) ,81 3, ,8 3, ,78 3, ,55 3,115 Esses valores mostram os quatro pontos de medição, sua posição e a pressão medida no manômetro. Com os valores de altura manométrica foi possível calcular a velocidade em cada um dos pontos. Através desses valores, pode ser usado o Método de Gauss para cálculo da velocidade média. A Tabela a seguir mostra o cálculo da vazão mássica na saída do coletor. Tabela 5 Resultado da vazão mássica na saída do coletor Velocidade Média Massa Específica Área do Tubo Vazão Mássica (m/s) (kg/m³) (m²) (kg/s) 3,638 1,111 0, ,0317 O cálculo da taxa de calor de transferida pelo ar resultou em 0,584 W. 5.1 ANÁLISES Primeiramente, pode ser dito que a utilização das chapas de isopor auxilia tanto no isolamento térmico, como foi proposto, quanto para a fixação das aletas do coletor. Como possuem uma condutividade térmica muito baixa, a sua utilização é eficaz. Uma possível melhoria seria a utilização de lã de vidro, pois é um melhor isolante e não irá se deteriorar com o calor. A pintura das aletas e das paredes de isopor com tinta preta fosca contribuiu para o aumento da temperatura do ar no coletor solar. A absorção de calor foi efetiva e a pintura de todas as superfícies contribui para que ocorresse pouco reflexo e emissão de radiação. A posição das aletas na montagem do coletor solar contribui para que tenha uma perda de carga pequena, assim a vazão é pouco comprometida. Toda área das aletas está em contato com a luz, fazendo com que possa ser aquecida em todas as regiões, além de ter uma região em que a aleta fica horizontal, onde terá um maior aquecimento. A parte mais aquecida contribui com uma condução de calor para outras regiões das placas também. Outra consideração foi o posicionamento mais variado, fazendo com que o ar tivesse contato com uma temperatura maior em diversas regiões. Sugestão de melhoria é a construção das aletas com maior precisão, ou seja, que tenham o mesmo tamanho e curvatura. A diferença de temperatura entre a entrada e a saída foi de 18,32 ºC e a vazão de ar foi de 0,0317 kg/s. O aumento de temperatura foi considerado satisfatório para uma vazão que teve pouca perda de carga.

16 10 6. CONCLUSÃO A proposta montada pelo grupo para o coletor solar para aquecimento de ar é possível de ser feita em maior escala, sendo com custo reduzido, com poucas dificuldades de montagem e com uma boa eficiência. Poucas alterações seriam necessárias para a aplicação no secador solar, como mudança do isolamento térmico e construção das aletas com maior precisão. O aumento de aproximadamente 18 ºC é um resultado satisfatório no procedimento. Resultado do uso eficaz das aletas em razão do seu posicionamento, sendo que elas tinham alturas e posições laterais diferentes dependendo da fileira em que estava localizada, do seu material, alumínio tem um valor alto de condutividade térmica, e da pintura de cor preta fosca, que possibilita uma alta absorção e baixa emissão de radiação. A vazão de ar de 0,03 kg/s mostra que ocorreu uma baixa perda de carga no coletor solar. Isso ocorre devido ao fato da montagem das aletas não ter regiões de estagnação de ar, que reduziriam a vazão. O aquecimento do ar contribui um pouco para a redução da vazão, devido o menor valor de massa específica do ar com maior temperatura. A utilização do tubo de Pitot, os métodos para calcular a velocidade média e, assim, medir a vazão mássica mostraram-se procedimentos simples e eficazes. O uso do termopar foi uma solução em que não foram necessárias muitas medidas e teve um resultado com erro associado baixo.

17 11 7. REFERÊNCIAS Abene, a, Dubois, V., Le Ray, M., & Ouagued, a. (2004). Study of a solar air flat plate collector: use of obstacles and application for the drying of grape. Journal of Food Engineering, 65(1), doi: /j.jfoodeng Delmée, G. J. (1983). Manual de Medição de Vazão. Editora Edgard Blücher Ltda. Fox, R. W., McDonald, A. T., & Pritchard, P. J. (2010). Introdução à Mecânica dos Fluidos. Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2011). Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. Karsli, S. (2007). Performance analysis of new-design solar air collectors for drying applications. Renewable Energy, 32(10), doi: /j.renene Schneider, P. S. (2011). Apostila - Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Retirado de Schneider, P. S. (2012). Apostila - Medição de Pressão em Fluidos, Retirado de

18 12 ANEXOS Anexo 1 Tabela de Termopar Tipo J

19 13 Tabela para avaliação do trabalho: Capacidade de leitura na faixa indicada Perda carga de Incertezas Criatividade Conformidade com as normas de redação do concurso