MARCO ISMAEL WILCHEN BECKER NAELZO MACHADO CONSTRUÇÃO E ENSAIO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR

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1 i MARCO ISMAEL WILCHEN BECKER NAELZO MACHADO CONSTRUÇÃO E ENSAIO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre 2014

2 ii AGRADECIMENTOS Primeiramente gostaríamos de agradecer ao Nelzo Machado, pai de Naelzo Machado, um dos autores deste trabalho, por nos ajudar no processo de fabricação do coletor solar, deixando a nossa disposição sua oficina de garagem e por todo auxílio de mão-de-obra prestado para a construção do coletor. Ao técnico do Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos, João Batista da Rosa, e ao mestrando Tiago Haubert Andriotty, por toda ajuda oferecida durante os ensaios, oferecendo todos os recursos para nos facilitar o procedimento de medição.

3 iii RESUMO O presente trabalho tem a finalidade de planejar, construir e ensaiar um coletor solar térmico a ar, construído a partir de chapas de aço galvanizado pintadas de preto, dispostas em forma de V para uma maior absorção da radiação, dentro de uma caixa feita com MDF fechada por um vidro de 4mm de espessura. O coletor solar possui 1m de comprimento, 30cm de largura e 15cm de altura, por onde passa uma corrente de ar insuflada por um ventilador centrífugo. O coletor é ensaiado no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) medindo, através de sensores de temperatura PT100, uma temperatura de entrada do coletor igual a 25ºC e uma temperatura de saída igual a 41ºC, obtendo uma diferença de 16ºC. A pressão de estagnação é medida na descarga do coletor através do Método de Newton, e com o auxílio da equação de Bernoulli modificada foi possível calcular a velocidade do escoamento com a massa específica do ar interpolada no valor de temperatura média entre a entrada e saída do coletor. A vazão mássica na descarga e a troca de calor encontrados são 0,0414kg/s e 668W, respectivamente. PALAVRAS-CHAVE: Coletor solar, Secador solar, Coletor com placa em V.

4 iv ABSTRACT This report aims to plan, build and test a solar thermal collector by air, built from galvanized steel plates painted black, arranged in a V for greater absorption of radiation, inside a box of MDF closed by a glass of 4mm of thickness. The solar collector has 1m long, 30cm wide and 15cm height, through which pass a stream of inflated air by a centrifugal fan. The solar collector is tested in the Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) of Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) measuring, by means of temperature sensors PT100, an inlet temperature collector equal to 25ºC and an outlet temperature equal to 41ºC, obtaining a difference of 16ºC. The stagnation pressure is measured at the exhaust collector with the Newton method, and with the modified Bernoulli equation is possible calculate the speed of the flow with a specific mass of air in the interpolated value of average temperature between the inlet and outlet of the collector. The mass flow in the exhaust and heat exchange are found to kg/s and 668W, respectively. KEYWORDS: Solar collector, Solar dryer, V-Corrugated collector.

5 v SUMÁRIO AGRADECIMENTOS RESUMO ABSTRACT II III IV 1. INTRODUÇÃO 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2 3. ENSAIO DO COLETOR Caraterísticas Construtivas Materiais Utilizados 5 4. FUNDAMENTOS Energia Solar Coletor Solar Plano 6 5. RESULTADOS 9 6. CONCLUSÃO 11 REFERÊNCIAS 12 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12

6 1 1. INTRODUÇÃO A energia solar tem grande potencial para a aplicação em baixas temperaturas, principalmente quando se trata da secagem de alimentos na agricultura. O coletor solar dispensa o uso de outros trocadores de calor, reduzindo os custos com energia na produção. Os coletores são equipamentos utilizados para a coleta de radiação emitida pelo sol. Um modelo simples pode ser construído por uma placa plana que capta a energia do sol por onde o fluido é bombeado e aquecido. O protótipo a ser desenvolvido tem como finalidade aquecer o ar tomado do ambiente através de placas de coleção dispostas em forma de V, para aumentar a área de coleção de radiação em relação a placa plana. A radiação atravessa o vidro, incide nas placas coletoras e passa a aquecer o ar bombeado no interior do coletor, obtendo uma diferença de temperatura entre a entrada e saída, bem como uma vazão mássica na descarga. A partir desses valores também foi possível calcular a taxa de transferência de calor para o ar durante o processo de aquecimento. A motivação para o trabalho surgiu a partir da montagem de um secador de frutas em operação na fazenda de educação ambiental Quinta da Estância.

7 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O conteúdo apresentado neste capítulo é um resumo de alguns trabalhos relevantes que já foram apresentados na área de instrumentação, visando medições em coletor solar plano. Os conhecimentos apresentados são usados para escolha da geometria de placa coletora a fim de obter um desempenho satisfatório. Gama et. al. (1986) explicam que uma placa coletora de um coletor solar com cavidades em forma de V possui um área de absorção de radiação maior comparada a uma placa plana, que não possui cavidades. Comentam também que devido ao efeito da cavidade, a maior parte do pequeno comprimento é absorvido e apenas uma pequena quantidade de energia de radiação de grande comprimento de onda é emitido. A energia absorvida aumenta a temperatura da absorção da placa e troca calor com o ar bombeado por convecção. Por esse artigo ser de caráter não experimental, as conclusões não foram úteis para a formulação do presente trabalho, mas o conteúdo apresentado anteriormente torna-se relevante. Karim e Hawlader (2004) ensaiaram três coletores solares com placas coletoras de geometrias diferentes. Um com uma placa plana posicionada a uma certa altura entre a base e o vidro, outro semelhante a esse, mas com alguns obstáculos para a corrente de ar na parte inferior da placa, e outro com placas coletoras na forma de V, para uma maior área de coleção da radiação. O gráfico da Figura 2.1 mostra a eficiência dos três coletores plotadas juntas para fins de comparação. Figura 2.1 Gráfico da eficiência pela vazão do coletor solar com placa plana (flat plate), placa plana com obstáculos na parte inferior (finned) e placa coletora na forma de V (V corrugated). Pela análise do gráfico da Figura 2.1, focando nas curvas obtidas experimentalmente (exp), nota-se uma eficiência maior no coletor solar com placa com cavidades em forma de V comparado aos demais coletores para uma mesma vazão.

8 3 3. ENSAIO DO COLETOR Para a realização do experimento foi montada uma bancada experimental no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA), na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, usada para ensaiar o coletor solar plano a ar, tema deste trabalho. Abaixo, na Figura 3.1, é mostrado o esquema de montagem da bancada de ensaios. Figura 3.1 Esquema de montagem da bancada de ensaios. O ar insuflado pelo ventilador centrífugo passa por um medidor de vazão já posicionado na canalização do laboratório e chega na admissão, onde pode ser medida a temperatura de entrada do ar no coletor solar. Quando o ar entra no coletor solar ele é aquecido por um banco de lâmpadas posicionadas acima do coletor, as quais emitirão radiação que passará pelo vidro e atingirá a placa coletora, onde parte será absorvida e parte refletida, provocando o aquecimento do ar. Por fim o ar passa pela descarga do coletor solar onde é possível medir a temperatura e a vazão na saída. A Tabela 3.1 a seguir mostra as dimensões internas para construção do protótipo para que possa ser conectado adequadamente à bancada experimental. Tabela 3.1 Dimensões internas obrigatórias para a construção do protótipo. Comprimento 1,00m Largura 0,30m Altura 0,15m 3.1 Caraterísticas Construtivas Partindo da ideia do coletor solar plano com placa coletora em formato de V, o protótipo a ser desenvolvido é constituído basicamente por: - Caixa externa: em MDF (Medium Density Fiberboard), que servirá de estrutura para o restante do coletor. - Isolamento térmico: constituído placas de poliestireno (isopor) de 15mm espessura, devido ao seu baixo custo e baixa condutividade térmica, revestindo internamente o MDF para evitar perdas de calor para o ambiente. Segundo Incropera (2012), a condutividade térmica do poliestireno extrudado é de 0,027 W/mK - Chapa fina de fibra de madeira Eucatex: chapa lisa 4mm colocada após o isolante. O lado rugoso ficará colado ao isopor, e o lado liso ajudará no escoamento do ar diminuindo as perdas de carga. - Chapa galvanizada: chapa metálica galvanizada 0,5mm em formato de V e pintada de preto fosco para aumentar a absorção da radiação.

9 4 - Cobertura transparente: vidro plano de 4mm de espessura. Segundo Karim e Hawlader (2004), quando comparados três coletores solar com diferentes geometrias de placas coletoras, nota-se que a placa coletora em forma de V possui uma eficiência superior as demais, sendo por essa razão implementada essa geometria no coletor solar deste trabalho. As figuras abaixo foram desenhadas no software Solidworks de modo a ilustrar o coletor solar construído. Figura 2.1 Desenho ilustrativo do coletor solar plano. Figura 2.2 Desenho ilustrativo do coletor solar plano indicando as camadas dos materiais utilizados na parede do coletor.

10 5 TA. Abaixo é mostrada uma foto do coletor solar na bancada de ensaio do laboratório LE- Figura 3.2 Foto do coletor solar a ar (LETA). Essa foto tirada no laboratório LETA ilustra o esquema apresentado na Figura 3.1 com sua correspondente descrição. 3.2 Materiais Utilizados Para a instrumentação do experimento foram utilizados os seguintes equipamentos: - Um ventilador centrífugo disponibilizado pelo LETA. - Dois sensores de temperatura Thermomax PT100 3 fios, haste inox (316), diâmetro 6 x 25mm (Útil), cabo 1.000mm silicone com mola de acabamento 70mm, com faixa de operação de 200ºC. - Um multímetro disponibilizado pelo LETA. - Um tubo de Pitot fabricado através de um tubo de alumínio para servir de medidor de pressão/vazão. - Um manômetro disponibilizado pelo LETA.

11 6 4. FUNDAMENTOS 4.1 Energia Solar Atualmente cada vez mais tem sido usado a transformação dos recursos naturais para a produção de energia. Além da energia eólica (vento), a energia solar tem sido muito usada por ser uma energia limpa, onde sua captação, transformação e utilização causam pouco ou nenhum impacto ao meio ambiente. O potencial de energia solar de uma determinada região é determinado, principalmente, em função de sua localização no globo terrestre. As regiões localizadas entre as linhas tropicais são consideradas de alto potencial de energia solar, as regiões localizadas entre os trópicos e os círculos polares são consideradas como de médio potencial de energia solar e os polos de baixo potencial energético. O Brasil tem alto potencial energético, já que grande parte do seu território está localizado na região entre as linhas dos trópicos, portanto, pode-se considerar que, em qualquer localidade do nosso país é possível utilizar diversos sistemas de aproveitamento de energia solar (CAVALCANTE e LOPES, 2001). 4.2 Coletor Solar Plano O coletor solar plano é uma das formas mais simples de captação de energia, pois convertem a energia solar em térmica com baixo custo e de forma conveniente. O processo empregado é o do corpo negro absorvedor. Assim como as cores claras refletem a radiação, as cores escurar absorvem, e essa absorção é tanto maior quanto mais próximas estiverem da cor negra. É por esse motivo que as placas absorvedoras dos captadores planos são pintadas de preto fosco. A propriedade da superfície negra, aliada à propriedade que o vidro tem de recuperar grande parte da radiação emitida pela superfície negra quando a lâmina de vidro está colocada acima da placa absorvedora, é aproveitada para a conversão de energia radiante em energia térmica no coletor. (NETTO, 2006). O ensaio é realizado medindo-se a temperatura do ar na admissão T e, em ºC, e na descarga T s, em ºC, através de dois sensores de temperatura PT100 ligados a um multímetro para obter o valor da resistência elétrica. A partir desse valor de resistência elétrica é possível calcular a temperatura T, em ºC, pela seguinte equação: 0,00392 = R T (4.1) onde R é a resistência elétrica, em Ω. Para a medição de vazão foi utilizado um tubo de Pitot construído a partir de um tubo de alumínio dobrado em 90º. O tubo de Pitot foi posicionado na descarga em diferentes posições com o auxílio do método de cotas de Newton, possibilitando a ponderação dos valores obtidos. Para a medição da vazão foram utilizados quatro pontos em duto circular, como mostra a Tabela 4.1.

12 7 Tabela 4.1 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 de peso) [Fonte: DELMEÉ, 1983]. Nota: (a) Todas as medições têm peso igual. O valor de r na Tabela 4.1 é a distância do centro da canalização considerando diâmetro unitário. Para medição foi feita uma varredura de quatro pontos na horizontal e quatro pontos na vertical, obtendo valores de pressão de estagnação e calculando uma média entre eles. Com a pressão de estagnação medida é possível calcular a velocidade do escoamento em cada ponto através da equação de Bernoulli modificada. V = 2(p 0 p) ρ (4.2) onde V é a velocidade, em m/s, p 0 e p são as pressões de estagnação e estática, respectivamente, em Pa, e ρ é a massa específica (tirada de uma tabela termodinâmica na temperatura média entre a entrada e saída do coletor), em kg/m 3. Com as velocidades calculadas em cada ponto é possível calcular a velocidade média, em m/s, através da seguinte equação: V m = n 1 V i w i (4.3) onde V i são as velocidades nos pontos de medição, em m/s, e w i são os fatores de peso. Com a velocidade média calculada é possível calcular a vazão volumétrica V, em m 3 /s, pela seguinte equação: V = V m πd 2 4 (4.4) onde V m é a velocidade média, em m/s, e d é o diâmetro da canalização, em m. A partir dos valores medidos de temperatura, é possível calcular a diferença de temperatura T, em ºC, entre a entrada e saída do coletor, dada pela seguinte expressão: T = T s T e (4.5)

13 8 onde T s é a temperatura de saída e T e é a temperatura de entrada, ambas em ºC. Com a vazão volumétrica medida, calcula-se a vazão mássica, em kg/s, pela equação abaixo: m = ρv (4.6) onde ρ é a massa específica do fluido (ar), em kg/m 3, que é função da pressão e da temperatura, tirado da tabela termodinâmica, e V é a vazão volumétrica em m 3 /s. Por fim, pode-se calcular a taxa de calor transferido para o ar q ar, em W, pela seguinte equação: q ar = m c p (T s T e ) (4.7) onde m é a vazão mássica, em kg/s e c p é o calor específico do ar a pressão constante, em J/kgK.

14 9 5. RESULTADOS Através dos procedimentos de medição descritos anteriormente foi possível realizar a coleta de dados necessárias para avaliar o desempenho do coletor solar ensaiado do laboratório. Com os sensores de temperatura PT100 foi possível obter os valores de resistência elétrica. Aplicando esses valores na Equação (4.1) calcula-se a temperatura de entrada (T e ) e saída (T s ) do coletor solar, apresentados na Tabela 5.1. Tabela 5.1 Valores de resistência elétrica e temperatura medida na entrada e saída do coletor solar. Temperatura (ºC) Resistência (Ω) Entrada ,85 Saída ,12 O cálculo da diferença de temperatura entre a entrada e saída do coletor solar é calculado através da Equação (4.5). T = T s T e = = 16ºC Com o tubo de Pitot foi possível medir a pressão de estagnação na saída do coletor e através da Equação (4.2) foi possível calcular as velocidades do escoamento, considerando a pressão estática manométrica igual a zero. A Tabela 5.2 apresenta os valores obtidos da pressão de estagnação medidos pelo Pitot na descarga através do método de Newton, juntamente com os valores de velocidades calculados. Tabela 5.2 Valores da pressão de estagnação média e velocidade nos pontos medidos. r w Média (mmca) Média (Pa) Velocidade (m/s) 0 0,125 1,2 12,19 4,60 0,5774 0,375 1,2 12,19 4,60 0,8165 0,375 1,125 11,43 4,45 1 0,125 0,875 8,89 3,93 A velocidade média do escoamento V m, em m/s, é dada pela Equação (4.3). V m = n 1 V i w i = 4,60.0, ,60.0, ,45.0, ,93.0,125 = 4,46m/s Com o valor de velocidade média e conhecendo o diâmetro da canalização, pode-se calcular a vazão volumétrica V, em m 3 /s, pela Equação (4.4). V = V πd2 4 = 4,46 π0, = 0,0360m 3 /s Pela Equação (4.6) pode-se calcular a vazão mássica m, em kg/s. m = ρv = 1,1532.0,0360 = 0,0414kg/s Com os valores das temperaturas de entrada e saída do coletor solar medidas, com a vazão mássica calculada e buscando o valor tabelado do calor específico para o ar

15 10 (c p =1007 J/kgK), é possível calcular a taxa de calor transferido para o ar através da Equação (4.7). q ar = m c p (T s T e ) = 0, (41 25) = 668W

16 11 6. CONCLUSÃO Após a realização do ensaio conclui-se que, com a área de contato ampliada com as placas dispostas em formato de V, obteve-se uma diferença de temperatura na corrente forçada de ar entre a entrada e saída do coletor, medidas com sensores de temperatura PT100, de aproximadamente 16ºC. Esse ganho de temperatura do ar é devido à radiação, que ao atravessar o vidro do coletor, incide na placa coletora preta. A parcela da radiação que é refletida, ao incidir no vidro novamente, não consegue atravessá-lo, provocando assim o chamado efeito estufa. Na descarga do coletor, medindo a pressão manométrica com o tubo de Pitot, pode-se calcular a vazão mássica admitindo o valor da massa específica do ar na temperatura média entre a entrada e saída do coletor. O valor da vazão mássica encontrado na descarga do coletor foi de 0,0414kg/s, a qual serviu para calcular a taxa de calor transferido durante o processo que ficou sendo de 668W. Por fim, alguns comentários são pertinentes com relação ao experimento realizado. Observou-se, durante a medição de temperatura com sensores PT100, que houve um gradiente de temperatura ao longo da seção transversal do duto na saída do coletor, sendo possível encontrar valores de temperatura mais elevados no centro do duto do que na periferia. Este fenômeno pode ser devido a perda de calor por condução nas paredes do duto, com posterior troca de calor por convecção com o ar externo. Também foi possível perceber que, ao usar isopor como isolante térmico na construção de coletores solares, deve-se protege-lo de forma que o excesso de temperatura do ar não provoque sua degradação.

17 12 REFERÊNCIAS CAVALCANTE, E. S. C.; LOPES, J. D. S. Energia Solar para Aquecimento de Água. Viçosa: CPT, DELMÉE, G.J., Manual de Medição de Vazão, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, GAMA, R.M.S, et al, Departmente of Mechanical Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brazil, INCROPERA, F.P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 6ª Edição, LTC, KARIM, M.A/M.N.A HAWLADER, Performance investigation of flat plate, v-corrugated and finned air collectors, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of Melbourne, Vic. 3010, Australia/Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, National University of Singapore, 10 Kent Ridge Crescent, Singapore , Singapore, NETTO, C. Q. Análise de um Pequeno Sistema de Aquecimento Solar Instalado no Interior do Estado de Minas Gerais. Monografia (Pós- Graduação Lato Sensu). Fontes Alternativas de Energia, Departamento de Engenharia Universidade Federal de Lavras, Labras, BIBLIOGRAFIA CONSULTADA CARVALHO, D. R. e FILHO, W. B., Otimização de Coletores Solares Via Algoritmos Genéticos. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, FOX, R.W. e MCDONALD, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro MEDEIROS, MAURÍCIO., Simulação e Avaliação de um Sistema de Aquecimento Solar de Água Utilizando Balanço Energético, SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre (