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 PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR por Andressa M. Rodrigues Eduardo A. Westerich Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014.

2 ii SUMÁRIO INTRODUÇÃO... 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 1 CONVECÇÃO NATURAL E CONVECÇÃO FORÇADA... 2 RADIAÇÃO... 2 MEDIÇÃO DE VAZÃO... 2 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA... 3 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO... 4 EFICIÊNCIA TÉRMICA DO COLETOR... 4 METODOLOGIA... 5 VALIDAÇÃO... 7 RESULTADOS... 8 CONCLUSÕES... 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 9

3 iii LISTA DE FIGURAS Figura 1 - a) medição da pressão estática. b) medição da pressão de estagnação. c)esquema de montagem de um tudo de Pitot...2 Figura 2 Dimensões do coletor solar...5 Figura 3 - Esquema de montagem da bancada para o ensaio...6 Figura 4 - Tubo de Pitot construído para o ensaio...6 Figura 5 - Termopar tipo E utilizado no experimento...7 Figura 6 - Experimento montado na bancada...7 Figura 7 - Tubo de Pitot colocado no tubo PVC pronto para medição de vazão...8 Figura 8 - Calibração do instrumento de medição...8 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Tabela de conversão para termopar tipo E...4 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS A: Área [m²] h: Altura [m] m: Massa [kg] : Vazão mássica [kg/s] P: Pressão [Pa] T: Temperatura [ºC] U: Tensão [V] v: Velocidade [m/s] V: Volume [m³] : Vazão volumétrica [m³/s] ρ: Massa específica [kg/m³] C p : calor específico do fluido [J/Kg. o C]

4 iv RESUMO O presente trabalho é realizado com o intuito de elaborar um coletor de ar solar a ser acoplado num secador de frutos para aumentar a diferença de temperatura entre a entrada e saída do mesmo. A partir da medição de vazão volumétrica e mássica, com um tubo de Pitot, além da temperatura, com o auxílio de um fio de extensão de um termopar do tipo E, é possível verificar que o coletor projetado obteve uma diferença de temperatura entre a entrada e saída do coletor de 23 C, vazão volumétrica de 2, m 3 /s, vazão mássica de 3, Kg/s. Pelos resultados obtidos, podemos perceber que o uso de um leito de britas pintadas com tinta acrílica preta junto com chicanas dispostas ao longo do coletor levou a uma diferença de temperatura entre a entrada e saída bastante elevada, porém uma perda de carga considerável. PALAVRAS-CHAVES: coletor solar, leito de britas, chicanas, diferença de temperatura.

5 v ABSTRACT: This paper is carried out in order to develop a solar air collector being coupled in a fruit dryer to increase the temperature difference between the inlet and outlet of the same. From the measurement of volumetric and mass flow with a Pitot tube, in addition to temperature with the assistance of a extension cord of a thermocouple type E, it can be seen that the collector designed obtained a temperature difference between the inlet collector output and 23 C, flow volume 2, m 3 /s, mass flow 3, Kg/s. From the results obtained, we can see that the use of a bed of crushed rock painted with black acrylic paint with baffles arranged along the collector led to a temperature difference between the inlet and very high output, but a considerable loss of load. KEYWORDS: solar collector, bed of gravel, baffles, temperature difference.

6 1 1. INTRODUÇÃO Atualmente, a busca por tecnologias que utilizem energia limpa está cada vez maior, dado a crescente preocupação mundial pela sustentabilidade e que a energia solar é uma substituta ou economizadora das fontes convencionais de energia. Pensando nisso este trabalho tem como motivação a construção de coletores solares de baixo custo. Os coletores solares térmicos são dispositivos de fácil construção, capazes de captar a radiação solar e transmiti-la a um fluido, para seu posterior aproveitamento. Tais equipamentos possuem vasta aplicação em secadores de frutas, grãos entre outras atividades tanto rurais, quanto urbanas. O trabalho foi proposto com o objetivo de aplicar os conhecimentos adquiridos na disciplina de medições térmicas para a construção de um protótipo de coletor solar de ar que será acoplado fisicamente a um ventilador, simulando assim o escoamento no coletor. Com o intuito de otimizar o mesmo, aumentando a temperatura de saída e auxiliar a vazão, obtendo uma boa eficiência térmica, além de utilizar sistemas de medições que comprovem o funcionamento dele. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Schuck, 2012, em sua dissertação de mestrado sobre coletor solar para pré-aquecimento do ar em sistemas de secagem para cura do tabaco, construiu um coletor de ar solar com leito de britas para o pré-aquecimento do ar que antes era feito com lenha. Observou-se que a utilização do coletor com 3 m² de área proporcionou a redução de 5,2% no consumo de lenha, o que demonstrou a viabilidade econômica da utilização do sistema. Konrad, 2009, construiu um coletor de ar solar com o objetivo de fazer uma análise de eficiência térmica solar para captação de ar quente para fins diversos. Obteve os resultados de ensaios realizados em laboratório que comprovaram a superioridade de uma superfície coberta por britas pintadas de preto na transferência de energia para o ar, quando comparada com uma superfície coberta por uma lona preta e com uma superfície de isopor. A superfície coberta com britas pretas apresentou a maior diferença de temperatura entre entrada e saída do duto. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Um coletor solar é um tipo especial de trocador de calor que transforma energia solar radiante em calor. As principais partes que compõe um coletor solar plano são: um invólucro transparente à radiação solar sobre a superfície absorsora para reduzir as perdas por convecção e radiação para a atmosfera; uma superfície absorsora de radiação como meio de converter a radiação em calor e transferir ao fluido a energia absorvida; e uma superfície isolante que evite o contato da base da superfície absorsora com o solo, para evitar perdas por condução (DUFFIE e BECKMAN, 1991). 3.1 CONVECÇÃO NATURAL E CONVECÇÃO FORÇADA A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo

7 2 sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria. A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido. Refere-se à convecção forçada quando o escoamento é causado por meios externos, tais como ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos. Em contraste, no caso de convecção livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que são originadas a partir de diferenças de densidades causadas por variações na temperatura do fluido. 3.2 RADIAÇÃO A radiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles. Na transmissão de calor, são de interesse apenas os fenômenos que resultam da diferença de temperatura e podem transportar energia através de um meio transparente ou através do espaço. A energia transmitida desta maneira é chamada de Calor Radiante. Quando as ondas de radiação encontram algum objeto, sua energia é absorvida próxima à superfície. A transmissão de calor por radiação torna-se de importância crescente quando a temperatura de um corpo aumenta. 3.3 MEDIÇÃO DE VAZÃO TUBO DE PITOT Existem diversas maneiras de medir vazão volumétrica. Dentre as mais simples está a utilização de um tubo de Pitot. Seu princípio é baseado através da 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. Figura 1 - a) medição da pressão estática. b) medição da pressão de estagnação. c)esquema de montagem de um tudo 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 [SHNEIDER, 2012].

8 3 Através da equação de Bernoulli, com as devidas simplificações, é possível descobrir a velocidade do escoamento através da equação abaixo: (1) 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 de: (2) (3) Também, pode-se calcular a vazão mássica através da equação: PLACA DE ORIFÍCIO (4) As placas de orifício são dispositivos de baixo custo de instalação e manutenção. Sua grande desvantagem reside na perda de carga que impõe ao escoamento (intrusão importante), em função da expansão a jusante da placa. A incerteza de medição desse dispositivo se situa em cerca de 2 a 4% do fundo de escala [SHNEIDER, 2012]. A configuração mais comum é construída com um orifício concêntrico montado entre flanges, que interrompe uma canalização ou canal fechado. A montagem da placa de orifício requer um comprimento de tubo reto a montante do dispositivo de cerca de 10 a 30 diâmetros para garantir o desenvolvimento completo da camada limite cinética. Já a colocação das tomadas de pressão diferencial não seguem uma única padronização, e são escolhidas conforme a necessidade da instalação [SHNEIDER, 2012]. Na tubulação de entrada do sistema foi instalada uma placa de orifício para determinação da vazão volumétrica de entrada e posterior determinação da perda de carga do sistema. As equações da placa de orifício são as seguintes: (5) (6) (7)

9 4 3.4 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Um sensor muito utilizado para medição de temperatura é o termopar, pois são de simples utilização, robustos e de baixo custo. O termopar é constituído de dois metais distintos que unidos por sua extremidade formam um circuito fechado. O termopar desta maneira gera uma força eletromotriz (FEM), que quando conectada a um instrumento de aquisição de dados consegue ler uma diferença de tensão gerada pela diferença entre as temperaturas da junta. Através desta tensão, é possível encontrar o valor da variação de temperatura correspondente em tabelas de calibração que o próprio fabricante disponibiliza. No experimento foi utilizado um fio de extensão de termopar que utiliza ligas de níquelcromo e cobre-níquel, popularmente conhecido por de tipo E. O termopar tipo E possui boa resistência à abrasão e regular resistência à umidade, além de ter uma sensibilidade elevada e baixo custo, sendo que podem ser utilizado em grandes faixas de temperaturas (-270 C a 1000 C). O fio de extensão apresenta resultados confiáveis para temperaturas de até 300 o C. A tabela de calibração deste termopar encontra-se a seguir. Tabela 1 Tabela de conversão para termopar tipo E (Fonte: INCERTEZAS DE MEDIÇÃO A incerteza define um intervalo em torno do resultado de medição no qual se espera abranger grande parte dos resultados encontrados. Geralmente, o nível de confiabilidade utilizado é de 95.45% [SHNEIDER, 2012]. Alguns dados dependem dos resultados

10 5 experimentais, e geram assim, uma incerteza combinada, onde os resultados calculados geram uma incerteza devido à incerteza do valor medido. O procedimento para medir a incerteza de medição é chamado de Propagação da Incerteza de Medição, dado por: (( ) ( ) ) Sendo até as variáveis dependentes, até os desvios padrão das variáveis dependentes e V a equação para chegar ao dado esperado. 3.6 EFICIÊNCIA TÉRMICA DO COLETOR A eficiência térmica total do coletor é dada por: (8) onde, (9) (10) é a taxa de calor transferida para o ar, em Watts e G é a radiação incidente sobre o plano do coletor solar. 4. METODOLOGIA No protótipo foram utilizados: o corpo do coletor, com dimensões internas de 1mx0,3mx0,15m, com base construída com tábua de pinus de uma polegada e laterais feitas com três chapas de compensado, com espessura total de 18mm; sete chicanas de 17cmx15cm cada, 25kg de brita de espessura média e um vidro simples. Com exceção do vidro, toda a parte interna do coletor foi pintada de preto fosco, como pode ser observado na figura abaixo. Figura 2 Dimensões do coletor solar

11 6 O ar entra no coletor com velocidade de 21,74m/s através de um ventilador, passando por sensores de temperatura, por uma placa de orifício para medição de vazão e após passar pelo protótipo na saída existem outros sensores de temperatura e um Tubo de Pitot ligado a um manômetro de tubo inclinado. A Figura 3 ilustra o experimento. Figura 3 - Esquema de montagem da bancada para o ensaio (Fonte: Edital de trabalho final da disciplina de medições térmicas. Edição ) O coletor baseia-se na construção de trocadores de calor com chicanas, a fim de produzir a maior troca de calor por convecção possível. As chicanas conduzem o escoamento do fluido de forma ora cruzado, ora paralelo, o que ocasiona certa turbulência e um maior tempo de residência do fluido do casco, levando a um aumento da transferência de calor. O coletor foi pintado de preto, pois seu coeficiente de absorção é máximo, fazendo com que todo o calor que chega ao coletor seja absorvido. Para a medição da vazão foi construído um tubo de Pitot como mostrado na Figura 4, e utilizado um termopar tipo E para medir a temperatura, mostrado na Figura 5. Figura 4 - Tubo de Pitot construído para o ensaio

12 7 Figura 5 - Termopar tipo E utilizado no experimento A Figura 6 mostra o experimento montado na bancada, onde foram coletados os dados para análises posteriores. 5. CALIBRAÇÃO Figura 6 - Experimento montado na bancada Para a medição da temperatura, sabe-se que o termopar do tipo E possui uma incerteza de medição de mais ou menos 1,7 C para baixas temperaturas como é definido pelo fabricante. Já na medição de vazão, tem-se a incerteza do manômetro de tubo em U inclinado, chega-se a medidas de mais ou menos 0,254 mm de incerteza, mas também é preciso levar em consideração a posição do Tubo de Pitot, que deve ser posicionado centrado, e paralelo ao escoamento para não gerar erros maiores de leitura. Abaixo, tem-se a foto do Tubo de Pitot dentro do tubo PVC, indicando a posição correta para sua utilização.

13 8 Figura 7 - Tubo de Pitot colocado no tubo PVC pronto para medição de vazão Além disso, os instrumentos foram aferidos e calibrados, como mostra a figura a seguir. 6. RESULTADOS Figura 8 - Calibração do instrumento de medição. A partir das equações (5), (6) e (7) com K p =0,001286m 2, g=9.81m/s 2 e =1,2kg/m 3 e leitura do manômetro instalado na entrada do sistema de 29 mmh2o, determinaram-se os valores de entrada velocidade, =21,74m/s, vazão volumétrica, =0,1724m 3 /s e vazão mássica, =0,2068Kg/s. As medições realizadas com a instrumentação do laboratório para temperatura, através da utilização de um PT100 na entrada e outro na saída, apresentaram T ent =23,78 C e T saida =44,92 C. Com o auxilio de um multímetro, foi possível medir a diferença de potencial induzida pelo fio de extensão com valor de 1,42mV. Analisando a Tabela 1 chega-se a uma diferença de temperatura entre a entrada e a saída de 23 o C. Com o tubo de Pitot, utilizando as equações (1), (2), (3) e (4) foi possível encontrar velocidade, =3,78m/s, vazão volumétrica, =2, m 3 /s e vazão mássica, =3, Kg/s.

14 9 7. CONCLUSÕES A variação de temperatura obtida foi de 23 ± 1,7 ºC, sendo bastante similar aquele estabelecido no ensaio que era de 21,14 C. A velocidade do escoamento na saída do tubo foi de 3,78m/s e a vazão mássica de =3, Kg/s. Conclui-se portanto que pelos resultados obtidos, podemos perceber que o uso de um leito de britas pintadas com tinta acrílica preta junto com chicanas dispostas ao longo do coletor levou a uma diferença de temperatura entre a entrada e saída bastante elevada, porém uma perda de carga considerável. Para trabalho futuros, podem-se utilizar outros materiais com a mesma função das britas pretas, como por exemplo, pó de tijolo. Deve-se também utilizar instrumentos de medição com resoluções maiores e com menores incertezas para que se possa verificar com mais detalhes o comportamento do escoamento no coletor. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DUFFIE, J. A.; BECKMAN, W. A. Solar Engeneering of Thermal Process. 2ed. Nova Iorque. Jonh Wiley, INCROPERA, F. P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6 a ed., KONRAD, C.; BARBIERI, G.; PADILHA G.; DIETRICH, S. Coletor Solar para Captação de Ar Quente. Porto Alegre. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Pressão em fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site