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 ENSAIO DE UM ELEMENTO ACUMULADOR AQUECIDO POR UM ESCOAMENTO DE AR FORÇADO por Gabriel Pazin Haag João Cervo Calderaro Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider e Letícia Jenisch Rodrigues pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2014

2 RESUMO Neste trabalho é realizado um estudo e um experimentocom uma geometria feita a partir de 1 Kg de resina poliéster cristal para se obter a menor constante de tempo térmica possível. Para isso cria-se um molde para criar uma geometria no formato retangular. Com o experimento realizado na bancada de ensaios do laboratório do LETA, na UFRGS, obtém-se 1016 segundo como resultado para a constante de tempo térmica. PALAVRAS-CHAVE: elemento acumulador, constante de tempo térmica, resina poliéster cristal. 2

3 ABSTRACT This work has made a study and experiment as the efficacy of a geometry made with 1 kg of crystal resin trying to obtain the smallest possible thermal time constant only changing its geometry. The result obtained in bench experiment was a 1016s time constant. KEYWORDS: accumulator element, thermal time constant, crystal polyester resin. 3

4 LISTA DE FIGURAS Figura 1.Esquema da geometria da resina poliéster cristal...7 Figura 2.Molde usado para se fazer o protótipo...8 Figura 3.Protótipo do elemento acumulador...8 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1: Temperatura da montante ao longo de 120s...9 4

5 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO METODOLOGIA RESULTADOS E DISCUSSÕES CONCLUSÕES... 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6 1. INTRODUÇÃO Para diversas aplicações práticas precisa-se que haja uma troca rápida de calor, seja para esquentar ou resfriar determinado objeto. Por exemplo, os radiadores de carros tem uma geometria para refrigerar o motor. Trocador de calor é outro exemplo onde é necessário que haja uma rápida troca de calor, tais como as utilizadas em condicionadores de ar, onde a ideia é resfriar o ar que irá circular no ambiente sem a necessidade de armazená-lo por um longo período de tempo até que esteja suficientemente resfriado. Nos casos onde a troca de calor deve ser rápida, é indicada a utilização de materiais e geometrias com a menor constante de tempo possível para cada caso. Incropera (2008), descreve os trocadores de calor como equipamentos utilizado para trocar calor entre dois fluídos e explica seu funcionamento teórico e prático como, por exemplo, trocadores de calor com placas paralelas aletadas. Para analisar somente a variável relativa à geometria do acumulador de calor trabalho-se apenas com o material resina poliéster cristal. A finalidade do presente trabalho é encontrar, construir e experimentar uma forma geométrica com 1 Kg de resina poliéster cristal para um escoamento turbulento de ar quente para que o poliéster chegue a uma temperatura estável o mais rápido possível. Como trocadores de calor tentam resfriar um fluído o mais rápido possível enquanto aquecem outro, ou vice versa o trocador de calor deve conduzir calor rapidamente pra que seja eficiente, logo se usou seus princípios, e o das aletas, para se construir o protótipo. 2. FUNDAMENTAÇÃO A Constante de tempo (τ) é definida como o tempo que se leva para um instrumento alcançar 63,2% de resposta estabilizada. A constante de tempo térmica pode ser expressa como: τ = ρvc ha S = R t C t (1) Da qual: τ = Constante de tempo térmica [s]; ρ= Massa específica [Kg/m³]; V=Volume [m³]; c = Calor específico [J/(Kg K)]; h = Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m² K)]; A S = Área superficial [m²]; R t = Resistência à transferência de calor por convecção [K/W]; C t = Capacitância térmica global do sólido [J/K]. 6

7 3. METODOLOGIA Com uma geometria de colmeia em mente decidiu-se fazer uma grade com espaços retangulares por onde passa o ar. O esquema do protótipo e suas dimensões podem ser vistos na Figura 1: Figura 1. Esquema da geometria da resina poliéster cristal. A face, representada no esquema da figura1, tem dimensões de 14,1 cm por 28,5cm e um comprimento de 4,8 cm. Para a fabricação do protótipo se realizou um molde onde se preencheu com resina poliéster cristal misturada com um catalizador com 2% do volume da resina. O molde pode ser visto na Figura 2. Figura 2.Molde usado para se fazer o protótipo. 7

8 Depois de solidificado foram adicionados duas placasde resina poliéster cristal sem dimensões específicas de aproximadamente 32 g cada pra que o peso final fosse de 1Kg. O resultado final do protótipo pode ser visto na Figura 3. Figura 3. Protótipo do elemento acumulador. Para se avaliar a constante de tempo foi realizado um experimento na bancada de testes da UFRGS no laboratório do LETA conforme o edital 2. Nela foi medida a temperatura do ar na jusante do protótipo, que foi de aproximadamente 70 C, e a temperatura do ar na montante do protótipo. Com isso se pode verificar a evolução da temperatura em relação ao tempo e assim determinar sua constante de tempo para este caso em específico. A temperatura à montante foi feita com um termopar tipo K conectado a um multímetro que mostrava o valor em graus célsius. E se obteve a variação da temperatura em relação ao tempo gravando um cronômetro e o multímetro. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Pode-se observar com o experimento um crescimento logarítmico com tendência à estabilização de temperatura em aproximadamente 63 Celsius. Nos primeiros segundos de experimento houve uma grande queda de temperatura dos 63 máximos da bancada para 59 devido à abertura da bancada de experimento e colocação do protótipo à temperatura ambiente, aproximadamente 23 C no dia do ensaio. Em seguida um aumento de temperatura com uma taxa de variação alta no início que foi baixando até o fim do experimento na estabilização final. 8

9 Como 61,5 C é um valor de 63% entre 59 e 63 C chega-se a um valor de τ de aproximadamente 1016 segundos. O Gráfico 1 abaixo apresenta a distribuição da temperatura ao longo dos primeiros 120s ocorridos no experimento. Temperatura ( C) 63 62, , , , ,5 58 Temperatura X Tempo Tempo (segundos) Gráfico 1: Temperatura da montante ao longo de 120s. 5. CONCLUSÕES Como se verifica na literatura existe diversas formas diferentes de se projetar um elemento acumulador para trocas de calor em um curto intervalo de tempo e não são soluções triviais. Para o protótipo usou-se 1 Kg de resina poliéster cristal e o princípio de uma geometria usada em radiadores, porém simplificada por motivos de fabricação. No ensaio a peça encaixou como o esperado com uma pequena folga entre as paredes da câmara de ensaio. Após, pode-se observar a queda de temperatura gerada pela peça e analisar os dados para se obter a constante de tempo térmica, com um valor de 1016 segundos, desejado para o trabalho. Com isso pode-se melhorar o conhecimento das teorias vistas na cadeira de medições térmicas com os experimentos práticos feito pelos envolvidos no projeto. 9

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, Frank P. et al. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6. ed., SCHNEIDER, Paulo Smith; RODRIGUES, Letícia Jenisc H. EDITAL DE TRABALHO NAL DA DISCIPLINA MEDIÇÕES TÉRMICAS: Edição Porto Alegre: p. Disponível em: < Acesso em: 13 dez