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

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR A AR por Alessandro Gallina Guilherme Gallon Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Profs. Paulo Smith Schneider Porto Alegre, Julho de 2014

2 2 RESUMO O presente trabalho apresenta um estudo dos fenômenos envolvidos bem como a construção e instrumentação de um coletor solar a ar que será utilizado em um secador de frutas. São discutidos os modos de transferência de calor envolvidos no processo de aquecimento do ar e ainda quais foram as características construtivas e os materiais utilizados para se obter um protótipo de bom desempenho. Além da construção é apresentada a forma como o coletor foi instrumentado e ensaiado. Os testes revelaram uma diferença de temperatura do ar de entrada e saída de 13,6ºC com uma vazão de 0,301 m 3 /s. PALAVRAS CHAVE: coletor solar a ar, secador de frutas, aquecimento de ar.

3 3 ABSTRACT This paper presents a study on the related phenomena as well as the construction and instrumentation of a solar collector that will be used in a fruit dryer. It will discuss the heat transfer mechanisms related to the heating process of air and also the materials and construction technics utilized to obtain a substantial good performance prototype. Besides the construction it will be shown how the collector was instrumented and tested. The tests revealed a difference of temperatures of the air at the entrance and exit of the prototype of 13.6ºC and a volumetric flow of 0,301 m 3 /s. KEY WORDS: solar air collector, fruit dryer, air heating.

4 4 Sumário 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA GRANDEZAS ENVOLVIDAS NO PROBLEMA Temperatura Pressão Vazão MEDIÇÃO DAS GRANDEZAS ENVOLVIDAS NO PROBLEMA Medição de temperatura Medição de vazão Medição de pressão TRANSFERÊNCIA DE CALOR Radiação Convecção Condução INCERTEZA DE MEDIÇÃO DESCRIÇÃO DO PROBLEMA MATERIAIS E MÉTODOS CONSTRUÇÃO DO COLETOR SOLAR CONSTRUÇÃO DO MEDIDOR DE VELOCIDADE DO AR BANCADA DE TESTES Calibração do sensor de temperatura RESULTADOS MEDIÇÕES DE TEMPERATURA MEDIÇÃO DE VAZÃO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 14

5 5 1. INTRODUÇÃO Um coletor solar é um equipamento que tem como objetivo aquecer um fluido através da radiação proveniente do sol utilizando apenas a transferência de calor envolvida, sem a conversão da energia solar em energia elétrica. Podem ser utilizados com diversas finalidades, a mais comum delas é para o aquecimento de água de uso doméstico. No presente trabalho o objeto de estudo é um coletor com a função de abastecer um secador de frutas com ar aquecido. O coletor é basicamente constituído por uma superfície coletora que absorve a radiação solar e uma estrutura, normalmente com seção retangular, que sustenta a superficie e seve como fronteira isolante do ar aquecido com o ambiente. No caso do secador de frutas o coletor é instalado com um ângulo de inclinação em relação ao solo, dessa forma o ar aquecido pode entrar no secador por efeito de convecção. Os efeitos envolvidos no processo de aquecimento do ar são estudados na transferência de calor. A energia térmica entra no sistema em forma de radiação, proveniente do sol, que incide na superficie coletora. Parte da radiação é absorvida pela superfície, o que faz com que a mesma esquente. Estando a superfície mais quente que o ar ao seu redor, calor é transferido para o fluido pelo mecanismo de convecção. Quanto mais calor for absorvido pela superfície mais ela esquentará e mais trocará calor com o ar, que por consequência entrará no secador mais quente. De um modo geral o desempenho de um coletor solar depende de quanto calor a superfície coletora consegue transmitir ao fluido. Neste trabalho foi construído e ensaiando um protótipo de coletor que visa obter melhores resultados do que um coletor que usa uma chapa metalica plana como superfície coletora. São apresentados os métodos e os materiais utilizados na construção e na instrumentação do protótipo, assim como os resultados obtidos. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Grandezas envolvidas no problema Temperatura A lei zero da termodinamica constitui a base para a definição de temperatura. Ela estabelece que quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, ambos terão igualdade de temperatura. Ou seja, pode-se dizer que a temperatura é a grandeza comum aos corpos quando estes estão em equilíbrio térmico Pressão Segundo SCHNEIDER, 2003, a pressão P pode ser definida conforme a equação abaixo, P df / da (1) onde é um diferencial de força exercida pelo fluido em um diferencial de área. A pressão é uma propriedade local do fluido e possui uma grande dependência da posição, e não depende da direção considerando uma situação estática.

6 Vazão FOX, et al, 2006, afirmam que fluidos escoando em uma tubulação tem sua vazão volumétrica definida como sendo, (2) onde u é a velocidade média do fluido e A a área de seção transversal. A vazão mássica é uma taxa de massa por unidade de tempo e é obtida pelo produto entre a vazão volumétrica e a massa específica do fluido segundo a equação abaixo, (3) 2.2. Medição das grandezas envolvidas no problema Medição de temperatura Uma das formas de se medir temperatura é baseada no emprego de sensores que possuem sua resistência elétrica variável de acordo com a temperatura do meio em que estão inseridos. Atravez de um sistema de aquisição de dados, que possa medir resistencia, um valor de temperatura pode ser assiciado com o sinal emitido pelo sensor. Neste trabalho foi utilizado um sensor do tipo PT100, que apresenta comportamento linear em uma ampla faixa de temperaturas. Calibrado por comparação com outro sensor de referência Medição de vazão A medição de vazão pode ser feita de maneira indireta, determinando previamente a velocidade de um fluido a vazão pode ser obtida associando o valor da velocidade com a área de passagem do fluido. Um equipamento capaz de medir a velocidade de um escoamento é o tubo de Pitot. O tubo de Pitot toma duas medidas de pressão no ponto onde se deseja medir a velociade. Na parede do tubo é obtida a pressão estática, atravez de um furo. A pressão de estagnação é a segunda medida necessária e é obtida inserindo um tubo paralelo ao escoamento que tenha sua extremidade aberta e ortognal ao escoamento fazendo com que nesse ponto o fluido seja estagnado. As duas tomadas de pressao são conectadas as um manômetro de tudo em U e a diferença de pressão pode ser lida. Desenvolvendo a equação da conservação da energia de Bernoulli, pode-se chegar a expressao abaixo, que associa a velocidade do escoamento com a diferença entre as pressões de estagnação e estática no ponto de medição. (4) Medição de pressão Um dos equipamentos mais amplamente utilizados para a medição de pressão é o manômetro de tubo em U. Ele lê a diferença de pressão entre dois pontos, sendo mostrada

7 7 atravez de uma coluna de fluido manométrico, que pode ser facilmente lida. Conhecendo a massa específica do fluido pode-se estimar a diferença de pressão entre os pontos medidos atravez da expressão abaixo onde [kg/m 3 ] é a massa específica do fluido, g [m/s] a aceleração da gravidade e h [m] a altura da coluna manométrica Transferência de calor Radiação Radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura nãonula. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que consistem a matéria. A taxa de emissão de calor por radiação para uma superfície é dada pela seguinte expressão, onde é a temperatura da superfície em (K), é a temperatura da vizinhança do meio em (K), ε e α é respectivamente a emissividade e a absortividade da superfície do material, e σ é constante de Stefan-Boltzmann (Incropera et al, 2003) Convecção O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento global do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao fato de que, em um instante qualquer, um grande número de moléculas está se movendo coletivamente ou como agregado. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor (Incropera et al, 2003). A equação que descreve o fluxo de calor por convecção é a Lei do resfriamento de Newton, que é dada por, onde é o fluxo de calor por convecção em (W/m 2 ), é o coeficiente de transferência de calor por convecção em (W/m 2.K) e é a diferença de temperatura entre a superfície e o fluido, respectivamente, em (C ou K) Condução Condução é a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância devido às interações entre partículas. (Incropera et al, 2003). A equação que descreve a taxa de transferência de calor por condução é a equação de Fourier, a qual tem embasamento experimental e é dada por, (6) (7) (5)

8 8 onde é o fluxo térmico em (W/m 2 ), ou seja, a taxa de tranferência de calor em uma direção x por unidade de área perpendicular à direção da transferência e é proporcional ao gradiente de temperatura, é a condutividade térmica (W/m.K) e é uma característica do material da parede Incerteza de medição A grandeza física mensurada em um procedimento experimental é sempre uma aproximação do valor verdadeiro. Em medições, objetiva-se determinar o melhor valor possível para a grandeza, e quanto esse pode ser diferente do valor verdadeiro. A incerteza pode ser então definida como uma indicação de quanto o melhor valor pode diferir do valor verdadeiro, em termos de probabilidades, sendo um valor estimado para o erro. A incerteza de medição é obtida pela análise estatística de uma série de observações, determinando média, desvio padrão, tamanho da amostra e intervalo de confiança através de dados experimentais [INMETRO, 1998]. (8) 3. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA O objeto de estudo do presente trabalho é um coletor solar que se encontra instalado e em operação na fazenda de educação ambiental Quinta da Estância. Nesta aplicação o coletor é utilizado em um secador de frutas que utiliza energia solar. O coletor absorve radiação solar e transfere calor para o ar que circula em seu interior. O ar quente é levado para dentro do secador pelo efeito de convecção natural, já que tem sua temperatura elevada acima da temperatura ambiente. O presente trabalho objetiva explorar uma nova configuração do coletor para aumentar a eficiência do sistema. 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1. Construção do coletor solar Para a construção do coletor foram utilizados os seguintes materiais: telha trapezoidal de alumínio e zinco de 1000 mm de comprimento, vidro simples de 3 mm de espessura por 1000 mm de comprimento e 320 mm de largura, 2 tábuas de 1000 mm por 175 mm e 1 tábua de 1000 mm por 300 mm, 9 latas de alumínio, tinta preto fosco, pregos. Primeiramente as latas foram cortadas de modo a ficarem abertas na parte superior. Feito isso a telha recebeu 9 furos de modo a posicionar as latas perpendicularmente a ela. Ambos receberam pintura preta. Depois, as tábuas foram pregadas de modo a formar uma caixa sem tampa e por fim o vidro foi posicionado de modo a fazer o papel de tampa da caixa. Isso pode ser melhor entendido Figura 1. A utilização de uma telha trapezoidal tem como objetivo aumentar a área de transferência de calor. O mesmo aconteceu com as latas, porém estas contribuiram com uma segunda funcionalidade, agindo como cavidades de modo a aprisionar a luz por mais tempo e desta forma trocar mais calor. Também é importante destacar que a pintura realizada foi feita com tinta preto fosco por possuir um alto valor de absortividade, maior que preto brilhante, por exemplo, devido à uma rugosidade maior.

9 9 Figura 1. Protótipo do coletor solar (sem o vidro) Construção do medidor de velocidade do ar Para a construção do tubo de Pitot foram utilizados os seguintes materiais: cano de PVC com 100 mm de diâmetro por 500 mm de comprimento, tubos de inox, duas válvulas, um pedaço de madeira, cintas plásticas, mangueira. Primeiro foi feita a furação do pedaço de madeira e então fixou-se o mesmo no cano de PVC. Feito isso procedeu-se com a furação do cano e depois inseriu-se os tubos e as válvulas. Por fim conectou-se um pedaço de mangueira em cada válvula, as quais seguiram para um manômetro tubo U para medir a diferença de pressão. A Figura 2 mostra o tubo de pitot montado com um manômetro tubo U.

10 10 Figura 2. Tubo de Pitot e manômetro Bancada de testes A bancada de testes foi proposta pelo professor da disciplina e foi montada de acordo com a Figura 3 abaixo. A fonte de radiação utilizada foi um banco de lampadas incandescentes montado paralelamente ao coletor. Figura 3. Esquema da bancada de testes (Fonte: SCHNEIDER, 2014). Para os testes o coletor foi montado na horizontal e um fluxo de ar foi imposto atravez de um ventilador. A fonte de radiação utilizada foi um banco de lampadas incandescentes montado paralelamente ao coletor. As grandezas medidas foram temperaturas de entrada e saida e a vazão. As temperaturas foram medidas com um sensor PT100, colocado em contato com o fluxo de ar, em dois pontos: na entrada e na saída do coletor. O sensor utilizado no teste tem grandes dimensões se comparadas com o diâmetro da tubulação, como mostrado na Figura 4, o que pode gerar discordancias com o valor verdadeiro da temperatura do ar. Um banco de lâmpadas incandescentes foi utilizado para emitar radiação no protótipo de coletor solar. Os sensores de temperatura foram posicionados um na entrada e outro na saída, de

11 11 modo a medir a diferença de temperatura do ar após passar pelo coletor solar. Para o caso em questão foi utilizado um PT100, mostrado na Figura 4. Figura 4. PT100 instalado na saída do fluxo de ar. A medição de vazão foi feita através de um tubo de Pitot, na tubulação de saída, conectado a um manômetro. O sensor utilizado é descrito na seção Calibração do sensor de temperatura A calibração do sensor de temperatura foi feita pelo método de comparação com um sensor de referência. Como o PT100 apresenta comportamento linear em uma grande faixa de temperaturas foram tomados apenas dois pontos para calibração, um deles com o sensor exposto à temperatura ambiente e o outro exposto à agua aquecida. Os dados obtidos são mostrados na Tabela 1: Tabela 1: Dados para calibração do PT100 R medida [Ω] T referência [C ] Apartir da tabela 1 foi construída a curva de calibração do sensor mostrada na Figura 5

12 Temperatura [C ] Resistência [Ω] 12 Curva de calibração do PT Temperatura [ C] Figura 5: curva de calibração do PT RESULTADOS 5.1. Medições de temperatura A obtenção das temperaturas na entrada e saida do coletor foi feita através da medida de resistência do PT100 e fazendo uso da curva de utilização do sensor apresentada na Figura 6 abaixo: Curva de utilização do PT y = x Resistência [Ω] Figura 6: curva de utilização do PT100

13 13 Os valores de temperatura obtidos no teste são apresentados na Tabela 2 Tabela 2: Resultados das medições de temperatura Resistência [Ω] Temperatura [C ] Entrada Saíeda Os dados da Tabela X mostram uma diferença de temperatura de 13.6 ºC entre a entrada e a saída do coletor 5.1. Medição de vazão A medição de vazão foi feita atravez da medição da velocidade em um ponto prócimo ao centro da tubulação de saída do coletor. Como o escoamento analisado é turbulento acredita-se que a velocidade medida pode representar a velocidade média naquela seção. A diferença de pressão medida no manômetro de tubo U foi de 0.9mm, o que resulta em uma diferença de pressão de Pa. Considerando a massa específica do ar como 1,2 kg/m 3, a velocidade encontrada foi de m/s. A vazão foi calculada multiplicando a velocidade medida pela área da tubulação, resultando em um valor de m 3 /s. 6. CONCLUSÃO O objetivo deste trabalho era o de construir e instrumentar um coletor solar para ser usado em um secador de frutas em operação. A construção do protótipo foi feita de tal forma para tentar melhorar o desempenho do equipamento, o aumento da área exposta a radiação foi o foco principal da construção. As medições de temperatura apresentaram um valor considerado baixo para o aquecimento (13.6 ºC). Há alguns pontos relativos ao sensor de temperatura que devem ser comentados. O PT100 utilizado possui grandes dimensões quando comparado ao diâmetro do tubo por onde escoava o ar medido, esse tamanho excessivo pode ter influência no valor medido. Por ser muito grande o sensor pode não ter entrado em equilíbrio térmico com o sistema e então pode ter apresentado um valor de temperatura diferente ao do ar. A medição de vazão apresentou valores próximos do esperado.

14 14 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOX, R. W. MCDONALD, A. T. PRITCHARD, P. J. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Editora LTC, 6ª edição, Rio Janeiro, INCROPERA, F. P., DEWITT, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 5ª edição, Editora LTC, SCHNEIDER, P. S. Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, SCHNEIDER, P. S. Incerteza de Medição e Ajuste de Dados. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, SCHNEIDER, P. S. Edital do trabalho do semestre. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, INMETRO, Guia para a Expressão da Incerteza de Medição. Instituto Nacional de Metrologia, Rio de Janeiro