RESFRIADOR EVAPORATIVO DIVERGENTE-CONVERGENTE COM ASPERSÃO DE ÁGUA SOBRE FOLHA DE CELULOSE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE RESFRIADOR EVAPORATIVO DIVERGENTE-CONVERGENTE COM ASPERSÃO DE ÁGUA SOBRE FOLHA DE CELULOSE por Fernando Kronbauer Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2013

2 ii KRONBAUER, FERNANDO. Resfriador evaporativo convergente-divergente com aspersão de água sobre folha de celulose f. Trabalho de conclusão da disciplina de Medições Térmicas do Curso de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Este trabalho apresenta o estudo, projeto e construção de um resfriador evaporativo assim como dos instrumentos utilizados nas medições de temperatura, umidade relativa e vazão. O projeto teve como pilar a escolha de um modelo que priorizasse a evaporação da água em uma câmara com volume maior em relação à tubulação ao mesmo tempo em que evitasse a demasiada perda de carga. Também se buscou uma versatilidade em relação aos materiais empregados na construção. Testes experimentais foram realizados para a calibração dos instrumentos e dimensionamento da eficiência do resfriador. Os dados e condições fornecidos pela bancada e seus instrumentos foram utilizados para a validação do experimento e para a escolha de um modelo de melhor eficiência. Durante os testes se conseguiu na sua melhor configuração uma diminuição de 7,53 C em relação às condições de entrada do ar. Este valor corresponde a uma diminuição de 25% na temperatura sendo que a umidade relativa alcançou 89,98%. A perda de carga devido ao resfriador e tubulação atingiu 4,9 Pa.. Os resultados mostraram-se satisfatórios se levados em conta uma primeira tentativa de construção utilizando-se materiais de fácil aquisição. Uma continuação do trabalho tendo como estudo a biomimética e a biônica é sugerida ao final. PALAVRAS-CHAVE: Resfriador Evaporativo, Celulose, Umidade Relativa, Câmara Divergente-Convergente.

3 iii KRONBAUER, FERNANDO. Evaporative cooler convergent-divergent with a sprinkling of water on leaf pulp f. Trabalho de conclusão da disciplina de Medições Térmicas do Curso de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT This work presents the study, design and construction of an evaporative cooler even as the instruments used in the measurements of temperature, relative humidity and flow. The project was pillar choosing a model that prioritizes the evaporation of water in a chamber of large volume in relation to the pipe at the same time to avoid too much loss. It also sought versatility in relation to the materials used in the construction. Experimental tests were performed for the calibration of instruments and sizing efficiency of the chiller. The data and conditions provided by the counter and instruments were used to validate the experiment and for selecting a model of better efficiency. During testing was achieved in its best configuration a decrease of 7.53 C in relation to the entry of air. This corresponds to a 25% decrease in temperature and the relative humidity reached 89.98%. The head loss due to pipe cooler and reached 4.9 Pa.. The results were satisfactory taken into account if an initial attempt to build using materials easily acquired. A continuation of the work having as study biomimetics and bionics is suggested at the end. KEYWORDS: Evaporative Cooling, Pulp, Relative Humidity, Convergent-Divergent Chamber.

4 iv LISTA DE FIGURAS Figura 01: UR na Carta Psicrométrica... 4 Figura 02: Desenho proposto para o resfriador... 7 Figura 03: Processo de construção... 8 Figura 04: Exemplo Modelo de tecido... 9 Figura 05: Modelo de folha de celulose (Papelão)... 9 Figura 06: Curva de calibração dos termistores Figura 07: Modelo Curva de calibração para a velocidade em função da pressão Figura 08: Materiais para a construção...16 Figura 09: Teste do mecanismo aspersor Figura 10: Resfriador pronto na bancada...17

5 v LISTA DE TABELAS Tabela 01: Valores de resistência e temperaturas...10 Tabela 02: Diferença entre T medido e T calculado por Steinhart-Hart...11 Tabela 03: Dados para a calibração do medidor de velocidade e vazão...12 Tabela 04: Incertezas das temperaturas calculadas...13 Tabela 05: Resultados do resfriador evaporativo...14

6 vi SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS II III IV V 1. INTRODUÇÃO 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2 3. FUNDAMENTAÇÃO 3 4. O EXPERIMENTO 8 5. RESULTADOS CONCLUSÃO 16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 17 APÊNDICE 18 ANEXOS 19

7 2 1. INTRODUÇÃO O crescente aquecimento global, o aumento do custo dos bens de consumo e a busca por redução no consumo energético implicam aumento da demanda por uma alternativa barata de climatização de ambiente (Fonte: SOARES, 2003). Várias pesquisas estão sendo desenvolvidas por apelos mundiais para a conscientização ecológica, direcionadas para uma preocupação com a ecoeficiência, assumindo-se posições importantes perante o uso de tecnologias que levam em conta o fator central que é o homem, seu conforto e sua relação com o meio ambiente. É evidente que o uso racional da água e o reaproveitamento máximo da energia favorecem não só o lado financeiro e econômico, mas também o lado ambiental, tendo como foco principal o desenvolvimento sustentável do homem. O resfriamento provocado pela evaporação de água ocorre com frequência na natureza. Genericamente, resfriamento evaporativo ocorre quando algum meio ou produto cede calor para que a água evapore. A evaporação de um líquido qualquer é um processo endotérmico, isto é, demanda calor para se realizar. Esta transferência de calor pode ser forçada, quando fornecemos calor, ou induzida, quando criamos condições para que o produto retire calor do meio. Atualmente os sistemas de condicionamento de ar por compressão a vapor e o de ventilação são os mais utilizados para esse fim. A importância do resfriamento evaporativo tem evoluído nas últimas décadas, devido a fatores como a crescente crise de energia, os problemas ambientais causados pelos gases cloroflúorcarbono (CFC) e hidroclorofluorcarbono (HCFC) usados em condicionadores de ar, bem como a baixa eficiência dos sistemas de ventilação, principalmente nos meses mais quentes do ano. O principal foco deste trabalho consiste em encontrar uma forma de resfriamento evaporativo de baixo custo que proporcione uma eficiência razoável ao mesmo tempo em que seja competitiva no Concurso da Disciplina de Medições Térmicas. Todavia, o estudo necessário para a confecção do dispositivo eleva o conhecimento, amplia horizontes e cria oportunidades para desenvolvimento de projetos com esta conotação. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Com o objetivo de conhecer melhor o processo de resfriamento evaporativo e encontrar formas de aumentar a eficiência de resfriamento, bem como propor novos materiais e arranjos, muitos estudos foram desenvolvidos, seja de cunho teórico, experimental ou aplicado e serviram de parâmetros para auxiliar no desenvolvimento deste presente trabalho. Assim, a- presenta-se aqui um estudo bibliográfico onde o conteúdo foi analisado a fim de se obter as melhores inspirações para o trabalho de Medições Térmicas. Silva (2002) em Viçosa, Brasil, destaca que em regiões tropicais e subtropicais, a exemplo do Brasil, os altos valores de temperatura e a baixa umidade relativa do ar. Visando promover o arrefecimento térmico e melhorar o ambiente interno das instalações, a avicultura industrial brasileira vem adotando sistemas climatizados com ventilação em modo de túnel associados a sistema de resfriamento evaporativo composto de placas de material poroso u- medecido por gotejamento ou aspersor. Usualmente são empregados nestes sistemas placas de Celulose Rígida Corrugada. O objetivo de Silva (2002) foi estudar a possibilidade de substituição da Celulose Rígida Corrugada por argila expandida (cinasita). Avaliou-se a eficiência dos distintos painéis evaporativos no arrefecimento térmico do ar no interior do galpão. Silva (2002) certificou que os painéis de Celulose Rígida Corrugada proporcionam melhores índi-

8 3 ces de conforto térmico e eficiência evaporativa no arrefecimento térmico do que o material alternativo (cinasita). Castro e Pimenta (2004) em Brasília, Brasil, simularam a transferência de calor e massa em painéis de contato ar-água usados em sistema de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto (RED) através de modelos matemáticos e correlações empíricas, de forma computacional, com o intuito de comparar os dados obtidos nas simulações com os dados do fabricante para determinar a eficiência de resfriamento e a perda de carga. Observou-se uma boa concordância entre os resultados obtidos com as simulações e os dados do fabricante, o que validou o modelo de transferência de calor e massa adotado. Uma estimativa da queda de pressão no painel evaporativo de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) também foi calculada. Para isso, utilizou-se um modelo semi-empírico a partir dos dados do fabricante. Assim foi possível simular o painel para diferentes velocidades do ar com as curvas de aproximação obtidas. Os resultados foram comparados com o modelo de cálculo de queda de pressão em painéis de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft), mostrando uma maior concordância com os dados do fabricante. El-Dessouky et al. (2004) no Kuwait construíram um protótipo de um sistema de Resfriamento Evaporativo de dois estágios, constituindo-se de um Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI) seguido por um Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED), para avaliar o desempenho de cada tipo de sistema funcionando de forma independente e em conjunto. A temperatura média de entrada ficou em torno de 45ºC. Na avaliação, foram consideradas varias espessuras do painel evaporativo, variação do fluxo mássico de água e de ar no Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED) e Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI), configurações diferentes do Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI) com um único trocador de calor, dois trocadores de calor em série e em paralelo. A eficiência de resfriamento evaporativo do sistema de dois estágios composto pelo Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI) e Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED) ficou em torno de 90 a 120%. Neste caso, a eficiência de resfriamento pode ultrapassar os 100%, limite teórico para um Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED), visto que a temperatura da água atinge valores mais baixos entre os dois sistemas, e em consequência, uma temperatura de bulbo úmido bem menor. Já o Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED) ficou em torno de 63 a 93%. Enquanto o Climatizador Evaporativo do tipo Indireto (REI) ficou em torno de 20 a 40%. Alodan e Al-Faraj (2005) em Riad destacam que os sistemas de resfriamento evaporativo utilizados comercialmente na Arábia Saudita são de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft), que por sua vez, são relativamente dispendiosos. No entanto, minerais e poeira presentes no ar e na água podem encurtar a vida útil destes. Assim, descrevem uma nova alternativa de painel evaporativo fabricado de folhas de metal galvanizado. O painel proposto possui folhas alinhadas verticalmente em forma de ziguezague, onde o distanciamento entre as folhas foi em torno de 7,5mm. A água é despejada na parte superior do painel em forma de gotas através de pequenos orifícios. O ar externo exaurido pelo exaustor é resfriado ao passar pelo painel em forma de ziguezague, isto é, ocorre o fenômeno provocado pela evaporação de uma parcela da água gotejada, e assim, aumenta-se a umidade específica deste mesmo ar. Para as condições mais severas da temperatura de bulbo seco do ar externo, a média da eficiência de resfriamento evaporativo foi de 76%, 86% e 88%, para os painéis evaporativos com profundidade de 0,15 m; 0,3 m e 0,45 m, respectivamente. 3 FUNDAMENTAÇÃO TIPOS DE RESFRIADORES EVAPORATIVOS

9 4 O condicionamento de ar por resfriamento evaporativo é um método ambientalmente amigável e energeticamente eficiente, que utiliza água como fluido de trabalho e pode ser uma alternativa econômica aos sistemas convencionais de ar condicionado em muitos casos. Os equipamentos de resfriamento evaporativo podem ser de refrigeração evaporativa direta (RED) ou de refrigeração evaporativa indireta (REI). Equipamentos de refrigeração direta resfriam o ar por contato direto ou com uma superfície líquida ou com uma superfície sólida molhada ou, ainda, através de sprays. Assim, em um RED, a água é vaporizada dentro da corrente de ar e o calor e massa transferidos entre o ar e a água reduzem a temperatura de bulbo seco do ar e aumentam sua umidade, mantendo constante a entalpia (resfriamento adiabático). No resfriador evaporativo indireto (REI), o ar que será utilizado para condicionar o ambiente (ar primário) transfere calor para uma corrente de ar secundária ou para um líquido, que foram resfriados evaporativamente. A entalpia do ar do lado seco é assim reduzida, em contraste à redução adiabática de temperatura de um refrigerador evaporativo direto. A efetividade de um resfriador evaporativo é definida como a taxa entre a queda real de temperatura de bulbo seco e a máxima queda teórica que a temperatura de bulbo seco poderia ter se o resfriador fosse 100% eficiente e o ar saísse saturado. Neste caso a temperatura de bulbo seco na saída seria igual à temperatura de bulbo úmido do ar na entrada (TRANE, 1978). MISTURA ADIABÁTICA No processo psicrométrico realizado pelo climatizador evaporativo a água líquida é injetada no ar ambiente a fim de aumentar sua umidade. O processo de mistura é adiabático e segundo Beyer (2004) pode-se desprezar a energia de bombeamento. Neste caso tem-se o processo usado para definição da temperatura de bulbo úmido, que permanece constante neste processo, com pequeno aumento de entalpia, que pode ser desprezado. A taxa de transferência de calor, portanto, vale: O consumo de água vale: (1) Entretanto, este parâmetro pode ser estimado experimentalmente através do seguinte procedimento: medição da quantidade de água inserida no reservatório, operação do equipamento durante tempo conhecido e nova medição da quantidade de água no reservatório. Chamando as condições de entrada de 1, a saída de 4 e a saturação de s, tem-se que a e- ficiência de saturação s define o quanto o ar se aproxima da saturação, ou seja: (2) Onde s é a eficiência de saturação (na ordem de 70 a 90%) e Pr uma propriedade termodinâmica, que pode ser temperatura ou conteúdo de umidade. Apesar do fluxo de energia ser zero, segundo Beyer (2004) consegue-se um resfriamento sensível do ar à custa de um aumento de sua umidade, ou seja, calor latente. (3)

10 5 UMIDADE RELATIVA E a representação da relação entre as pressões parciais de vapor (v p) e a pressão de saturação do ar a uma mesma temperatura ( sat p ). A Figura 1 ilustra a linha de umidade relativa na carta psicrométrica. Figura 1 UR na Carta Psicrométrica (Fonte: BEYER, 2007) A umidade relativa pode ser calculada através de equações porém, para este trabalho, a carta psicrométrica será utilizada com os dados obtidos através do Bulbo Seco e Bulbo Úmido. 3.4 BULBO SECO E BULBO ÚMIDO Para a determinação da umidade relativa do ar é necessária a utilização de duas temperaturas distintas: Temperatura de bulbo seco (Tbs), que é a temperatura do ar atmosférico medida por um termômetro comum, protegido contra eventuais radiações. Temperatura de bulbo úmido (Tbu), que é a temperatura medida por um termômetro cujo bulbo foi coberto por uma mecha de tecido contendo água. Quando estes dois termômetros são submetidos a uma corrente de ar em movimento a temperatura do termômetro cujo bulbo foi recoberto por uma mecha contendo água (termômetro de bulbo úmido) apresentará uma temperatura menor ou igual a do outro termômetro (termômetro de bulbo seco). Isso se deve ao fato da umidade da mecha ao evaporar, retirar calor do bulbo reduzindo assim a temperatura medida neste termômetro. A quantidade de água que pode evaporar da mecha é inversamente proporcional à quantidade de vapor existente no ar atmosférico. Assim sendo quanto menor a umidade do ar atmosférico maior será a diferença de temperatura entre os dois termômetros. VAZÃO MÁSSICA Em escoamentos de fluidos em tubulação, muitas vezes há o interesse de se saber a quantidade desse fluido que atravessa determinada região transversal de um duto em uma determinada unidade de tempo, sendo chamada de vazão mássica m (g/s) e definido por: onde, Q respresenta a vazão volumétrica em m³/s, e ρ a densidade em kg/m³. (4)

11 6 No entanto, essa vazão não varia somente conforme a velocidade do fluido, já que a densidade do mesmo depende muito da pressão e da temperatura a que está submetido. Dessa forma, é necessária a correção da densidade conforme as propriedades termodinâmicas forem alteradas a partir da equação dos gases perfeitos: A relação entre a massa do fluido, m (kg), e sua massa molar, M (kg/kmol); bem como a relação entre a constante universal dos gases, (kj/kmol.k), e a massa molar, são dadas por: Tendo o conhecimento dessa relação, a equação dos gases perfeitos pode ser reescrita de forma a obter-se uma expressão para a densidade ρ (kg/m³) na forma: (5) (6) E assim sendo, a equação da vazão mássica pode ser expressa conforme a Equação (8) abaixo, onde as propriedades termodinâmicas podem ser obtidas experimentalmente. (7) VAZÃO VOLUMÉTRICA Fluidos escoando em algum tubo com área de sessão transversal A (m²) com uma velocidade v (m/s), tem sua vazão volumétrica (m³/s) definida como sendo (FOX e MCDO- NALD, 1995): Considerando um volume de controle (VC) pré-estabelecido para o sistema em avaliação, é possível melhor essa equação levando em consideração alguns parâmetros, como a conservação de massa. A massa que entra nesse VC deve ser igual à massa que sai dele, o que nos leva a equação da continuidade: (8) (9) (10) Na equação acima, a primeira parcela da soma representa a taxa de variação de massa dentro do VC e a segunda parcela representa a taxa líquida de fluxo de massa através da superfície de controle. Pela definição da constância de massa tem-se a soma resulta em zero. Há situações específicas onde a Equação (7) pode ser simplificada. Uma dessas situações seria escoamento de um fluido incompressível onde ρ (kg/m³) permanece constante; dessa forma, primeiro termo pode ser reduzido à zero, já que a integral de dvsobre o volume de controle representa exatamente todos o seu volume, assim, para um VC constante, a simplificação da Equação (7) resulta em:

12 7 (11) Para um escoamento incompressível, a vazão que entra em um VC deve ser igual à vazão que sai do mesmo. Sendo a área transversal A (m²) do tubo a superfície de controle, a E- quação (8) se torna a expressão para vazão volumétrica (m³/s), como mostrado a seguir: MEDIÇÃO DE TEMPERATURA E VAZÃO (12) Os termistores apresentam um comportamento bastante não-linear, com uma diminuição da resistência com o aumento da temperatura. O material empregado é um semicondutor, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 0 ºC até 200 ohm a 100 ºC. A diminuição da resistência com a temperatura vale a esse tipo de sensor o nome de NTC (coeficiente de temperatura negativa). O comportamento não-linear do termistor é representado pela relação onde A e B são constantes. Tubo de Pitot A velocidade de uma dada corrente de um escoamento pode ser obtida a partir da medição de duas pressões: estática e de estagnação, apresentadas no material da presente disciplina, relativo à medição de pressões [SMITH SCHNEIDER, 2003]. A diferença entre essas duas pressões é chamada de pressão dinâmica. A velocidade do fluido é obtida pela equação pela da lei de conservação da massa e da energia. A lei da conservação da massa aplicada a dois pontos 1 e 2 de uma linha de corrente resulta em (14) As grandezas V e A referem-se à velocidade média do escoamento e à área da seção normal ao mesmo escoamento, nas posições de uma linha de corrente. A equação anterior pode ser reescrita para a velocidade V1 como segue: (13) (15) relação entre os diâmetros da tubulação nos pontos 1 e 2, chegase em: Definindo-se β = D 2 D 1 (16) A lei da conservação da energia para escoamentos permanentes, incompressíveis (ρ1= ρ2= ρ), adiabáticos e sem atrito é dada pela equação de Bernoulli. Introduzindo o resultado a última equação, a expressão para a velocidade em um escoamento é dada por

13 8 No caso de um tubo de Pitot, onde o diâmetro em 2 é muito menor do que o da tubulação em 1, o coeficiente geométrico β 0, e a velocidade do escoamento é simplesmente dada por (17) (18) onde p0 é a pressão de estagnação no ponto 2, p é a pressão estática ou termodinâmica medida na superfície do tubo. A vazão é dada por onde V é o vetor velocidade, em m/s, e A é o vetor área orientada, em m 2. (19) 4 O EXPERIMENTO Dentre as possibilidades de configurações de resfriadores evaporativos analisados foi escolhido um modelo onde a entrada do ar tem a forma cônica, divergente. Após o ar é resfriado em uma câmara e tem sua saída simétrica à entrada, um cone convergente. A geometria cônica foi escolhida para haver uma transição suave do fluxo de ar entre os bocais de entrada e saída e a câmara cujo diâmetro é maior. Desde modo evitam-se grandes perdas de carga. Ainda, com esta geometria, há uma diminuição da velocidade do ar ao entrar na câmara sendo então melhor resfriado. Já o volume maior da câmara possibilita maior contato com as gotículas de água aspergidas o que também proporciona melhor resfriamento. Para o interior da câmara foram desenvolvidos dois modelos de acumuladores de umidade. A geometria e os materiais utilizados tiveram como barreiras as matérias-primas disponíveis no mercado e o custo envolvido. Optou-se por, a partir do projeto definido, variar as características do resfriador à medida que os materiais foram sendo encontrados priorizandose assim a criatividade. O desenho esquemático encontra-se a seguir. Figura 2 Desenho proposto para o resfriador

14 9 Observa-se todo o equipamento que é dividido nas três partes principais: entrada de ar, câmara de resfriamento e saída de ar. Esta configuração foi definida como ideal e como já mencionado, as variações ocorreram devido à disponibilidade de materiais para a construção. ENTRADA E SAÍDA DE AR Para a tomada do ar, vindo já caracterizado com as definições do Edital, foi definido uma secção variável a partir do diâmetro da tubulação de entrada do ar (100 mm) até o diâmetro da câmara de resfriamento (300 mm). Após a câmara, de forma simétrica, há a saída do ar da secção de 300 mm até novamente o diâmetro da tubulação. Em outras palavras, a entrada e saída de ar têm formatos cônicos. Durante a procura de materiais foi encontrado um que se encaixou nas características procuradas: um cone de sinalização. O mesmo possui a geometria procurada necessitando apenas de alteração para adequar-se ao diâmetro de 100 mm da tubulação, o que foi conseguido através de cortes. Pode-se observar na Figura 3 o processo de construção. Figura 03 Processo de construção do resfriador Entrada e saída de ar Pode ser visto o local do corte e a junção da tubulação. Para a saída de ar o mesmo procedimento foi tomado. A diferença consiste apenas no bocal de saída, mais alongado, onde os instrumentos de medição foram colocados. CÂMARA DE RESFRIAMENTO A câmara de resfriamento foi pensada de modo a ter um maior volume e como consequência maior volume de ar resfriado. Para tanto, uma tubulação de 300 mm de diâmetro por 300 mm de comprimento foi utilizada, sendo suas extremidades ligadas pelos cones. Para o interior, primeiramente, foi definido um painel de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) que tem o formato de colméia. A água seria expelida através de uma tubulação

15 10 sobre o painel. O material desejado, porém, não foi encontrado e partiu-se então para soluções alternativas que mantivessem as funções do original. Dois modelos foram construídos. O primeiro consiste em uma estrutura de mangueiras e madeiras que suportam duas faixas de tecidos de algodão, posicionadas perpendicularmente entre si e axialmente à câmara. Na figura a seguir pode-se apreciar o modelo. Figura 4 Modelo de tecido A água pulverizada na parte superior da câmara deve incidir sobre o tecido. Dessa forma há o resfriamento evaporativo direto através das micro-gotículas e também pelo contato do fluxo de ar com o tecido molhado. O outro modelo construído trata-se de uma variação grosseira do modelo idealizado em painel de celulose rígida. Na Figura 5 pode-se observar o modelo já na câmara e a mangueira responsável pela pulverização no interior da mesma. Figura 5 Modelo de folha de celulose (Papelão)

16 11 Este modelo usa material de folha rígida de celulose (papelão) ondulado. O material foi colocado dentro da câmara de forma com que água pulverizada entre em contato com o papel e crie uma região úmida que evapore com o fluxo de ar. Da mesma forma do primeiro modelo, a água pulverizada e a umidade do papel fariam o trabalho de resfriamento evaporativo. Para a pulverização d água foi utilizada uma mangueira onde pequenos furos foram feitos para a saída da água em forma de gotículas. A mangueira, ainda que de forma pouco eficiente, colabora com o resfriamento de modo indireto. Para ambas as configurações, um regador de jardinagem foi escolhido para levar a água sob pressão para dentro da câmara. EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO Com o objetivo de analisar a capacidade de resfriamento do equipamento desenvolvido e mensurar a perda de carga do mesmo, projetou-se e construiu um medidor de vazão do tipo Pitot, um termômetro resistivo e um higrômetro de bulbos seco e úmido. O tubo de Pitot foi colocado à jusante do equipamento e ligado a uma mangueira formando um manômetro em U. O mesmo foi confeccionado a partir de conexões de plástico existentes no mercado. Para as medidas de umidade relativa do ar foi confeccionado um higrômetro a partir de dois termistor do tipo NTC. Um deles foi envolvido em um tecido de algodão e umedecido caracterizando o bulbo úmido. O outro foi colocado ao lado do primeiro sendo este o bulbo seco. Para a identificação da umidade relativa baseada nessas duas medidas foi utilizada uma carta psicrométrica. A temperatura do ar na saída foi medida com base no termistor utilizado no bulbo seco, ou seja, a temperatura de bulbo seco é a temperatura de saída de ar medida. 5. RESULTADOS A calibração do NTC foi feita realizando medidas simultâneas da temperatura (T) medida por sensor PT-100 e da resistência do sensor NTC (Ω). A partir da relação resistênciatemperatura determinam-se as constantes de calibração. Para tanto, a bancada montada no laboratório foi utilizada como referência de calibração, a fim de avaliar o desempenho dos medidores construídos com o auxílio de um multímetro digital e do software utilizado para aquisição dos dados de referência da bancada. Do mesmo modo foi feita a calibração no que se refere à umidade relativa que é uma função das medidas de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. Os valores obtidos são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Valores de resistência e temperaturas Resistências Medidas Leitura T Bulbo Seco T Bulbo Úmido ( C) ( C) UR (%) R Seco (Ω) R Úmido (Ω) 1 27,91 21,23 54, ,16 20,96 57, ,71 20,83 58, ,25 20,37 63, ,14 19,66 72,

17 12 Para a determinação das temperaturas a partir dos valores de resistências medidos por termistores, como é o caso do NTC utiliza-se equação de Steinhart-Hart. (20) Onde T é a temperatura, R a resistência e a, b e c são valores fornecidos pelo fabricante. As temperaturas calculadas através desta equação encontram-se na Tabela 2 assim como o erro comparado à medição de bancada. Tabela 2 Diferença entre T medido e T calculado por Steinhart-Hart Bulbo Seco Bulbo Úmido Steinhart-Hart Steinhart-Hart Diferença Diferença ( C) Erro (%) ( C) ( C) ( C) Erro (%) 26,52 1,39 4,98% 18,8 2,43 11,45% 25,82 1,34 4,93% 18,75 2,21 10,54% 25,88 0,83 3,11% 18,81 2,02 9,70% 23,98 1,27 5,03% 18,32 2,05 10,06% 22,01 1,13 4,88% 17,61 2,05 10,43% Percebe-se grande erro nas medidas principalmente para bulbo úmido. Estes erros se devem à má qualidade do termistor associada ainda ao erro do multímetro digital e operador. Como o experimento foi testado em com o intuito de validação e calibração, as medidas tomadas como corretas são as do laboratório. Para tanto se construiu uma curva de calibração com os dados obtidos que pode ser vista na Figura 4. Figura 4 Curva de calibração dos termistores O sensor NTC apresenta curva exponencial, porém, para a faixa de temperaturas deste projeto (20 C 40 C) apresenta certa linearidade. Entretanto um ajuste de curva de terceiro grau mais se aproximou para esta faixa. A equação e os coeficientes são: y=a+bx+cx^2+dx^3 (21) a =

18 13 b = c = e-006 d = e-010 A umidade relativa medida no experimento é função das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido logo, depende dos valores de resistência já mencionados. Para a obtenção do valor da UR usam-se equações ou a carta psicrométrica. Pela facilidade optou-se pelo uso da última para eventuais consultas. O Tubo de Pitot foi calibrado através de comparação da velocidade do ar na saída, medido por instrumento do laboratório e o a medida de um manômetro inclinado, conectado ao Tubo de Pitot. Foram tomadas três velocidades que podem ser visualizadas na tabela a seguir. Tabela 3 Dados para a calibração do medidor de velocidade e vazão Velocidade Velocidade ΔP (Pa) Bancada Calculada Erro (m/s) Erro (%) (m/s) (m/s) ΔP (mm CA) Vazão Calculada com dados da bancada (m3/s) 1,5 14,71 6,5 4,95 1,55 24% 0, ,8 27,46 8,8 6,77 2,03 23% 0, ,8 37,26 10,9 7,88 3,02 28% 0,06186 Novamente pode-se observar um erro grande na medida do aparato construído, considerando-se o uso da equação 18 para o cálculo da velocidade a partir da altura medida no manômetro. O erro deve-se ao fato da construção rústica do modelo. A tabela mostra também os valores obtidos em bancada que foram utilizados para calibrar o medidor. Uma curva foi definida com os três pontos tomados. Figura 6 Curva de calibração para a velocidade em função da pressão Equação da curva: y=a+bx+cx^2 (22) Onde: a = b = c = Tendo em mãos as curvas de calibração dos sensores temos que analisar as incertezas

19 14 associadas. Existem três fontes de incertezas associadas que estão associadas às medidas feitas com os sensores que são: - Incerteza nos valores das resistências: A única especificação técnica com relação aos sensores é em relação ao valor da resistência elétrica nominal de cada sensor, logo foi necessário á calibração de cada sensor. Com esta abordagem eliminamos esta incerteza. - Incerteza no valor real da temperatura: Os sensores foram calibrados de acordo com os valores de temperatura fornecidos pela bancada do laboratório, através de PT 100. No entanto, o valor de temperatura medido pelo termômetro também tem uma incerteza associada. Para fins de simplificações dos cálculos a incerteza associada ao elemento sensor de calibração foi desprezada, os valores de temperaturas lidos na bancada foram considerados absolutos. - Incerteza do multímetro: A medição também está sujeita a incerteza associada ao multímetro utilizado. Para fins de cálculos de incerteza utilizou-se como a variação fornecida pelo manual do fabricante do multímetro. Que segue: Multímetro digital modelo POL777. Resolução na escala de 200 Kohm igual a 0,01 Kohm. Exatidão +- (1% +2d). Então considerando 2d=10 ohm, temos: E= +- (1% +0.01) Kohm. T R = a + bx + cx 2 + dx 3 As incertezas de medição do medidor em questãoforam calculadas através da equação de incerteza propagada segundo Kline e McClintock (HOLMAN, 1996), conforme segue: (23) ΔT = T(R) R ΔR 2 (24) ΔT = b + cx + dx 2 0,01R + 0,01 2 (25) Os resultados foram plotados na tabela que segue. Tabela 6 Incertezas calculadas Resistências Temperatura medidas (Ω) ( C) ΔT ,91 1, ,16 1, ,71 1, ,25 1, ,14 1,27

20 ,23 1, ,96 1, ,83 1, ,37 1, ,66 1,31 Observa-se um aumento à medida que diminui o valor da resistência. O cálculo da incerteza quanto à umidade relativa não foi analisado visto a complexidade da equação envolvida e tendo em vista que os valores podem ser consultados através de cartas psicrométrica com as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. Da mesma forma, a incerteza associada a medição é da velocidade do ar pelo Tubo de Pitot foi calculada através da equação (23) e utilizando a equação da curva característica (22) da calibração do Pitot. A resolução do manômetro é de 0,05 mmca. Os valores de ΔV, pra k=2, foram: 0,034; 0,038 e 0,042. Para a análise da eficiência de resfriamento do experimento o mesmo foi testado em suas duas configurações. No primeiro dia de testes foi testada câmara com folha de celulose semi-rígida. O teste consistiu de uma medição à temperatura ambiente seguida de outra a aproximadamente 30 C, valor máximo atingido pela bancada no dia devido a problemas com a resistência da mesma. Da mesma forma ocorreu o teste com a câmara de resfriamento operando com o interior de tecido. Os dados adquiridos e comparados em gráfico e tabela a seguir para a avaliação de suas respectivas eficiências. Modelo Folha de celulose Folha de celulose Entrada T Seco ( C) T Úmido ( C) Tabela 7 Resultados do resfriador evaporativo Saída UR (%) T Seco ( C) T Úmido ( C) UR (%) Diferença de T ( C) Eficiência Perda de Carga (Pa) 21, ,12 20,26 19,74 89,68 1,41 7% 4,9 29,73 22,14 51,46 22,2 22,07 89,98 7,53 25% 4,9 Tecido 22,01 19,23 76,85 21,45 19,87 86,51 0,56 3% 4,9 Tecido 29,14 23,12 60,43 22,12 20,71 88,30 7,02 24% 4,9 Através da análise da tabela anterior observa-se uma semelhança entre os as temperaturas atingidas por ambos os modelos. A perda de carga manteve-se constante em todas as configurações. Afinando-se a observação, percebe-se uma ligeira vantagem do resfriamento do modelo de folha de celulose em relação ao de tecido. Quando o modelo operou com temperatura ambiente, em torno de 22 C não houve grande mudança de temperatura, o que é esperado pela teoria. Em um funcionamento simulado a 30 C houve uma redução de 7,53 C e aumento de umidade relativa de 51% para quase 90%. O resfriamento teve como limite a temperatura am-

21 16 biente. Por outro lado, como não houve a possibilidade de aumento de temperatura a 40 C devido a problemas na bancada, não foi possível determinar qual seria o ΔT máximo atingido. O infortúnio, porém, não foi entrave para a determinação do modelo a ser usado na avaliação. 6. CONCLUSÃO Neste experimento foram construídos um resfriador evaporativo, um medidor de vazão do tipo Pitot e medidores de temperatura e umidade relativa com sensores NTC. Os resultados das medições utilizando-se as equações dos respectivos sensores não foram satisfatórios. As calibrações dos instrumentos, portanto, foram essenciais. Os dispositivos foram comparados aos instrumentos do LETA e tiveram suas curvas características determinadas, para as faixas de medições aqui necessárias. Em relação ao resfriador evaporativo foram construídos e testados dois modelos para o interior da câmara de resfriamento: um de tecido e outro de folhas de celulose. Ambos apresentaram desempenhos semelhantes, porém o último mostrou-se mais eficaz, sendo que proporcionou uma diminuição de temperatura de quase 8 C sendo que isso representa uma diminuição de 25 % da temperatura de entrada. O valor da umidade relativa, como era esperado, apresentou grande aumento chegando aos quase 90 %. A perda de carga mostrou-se tolerável sendo esta 4,9 Pa. Os resultados apresentados não foram totalmente satisfatórios visto que não foi possível atingir a temperatura desejada de 40 C na bancada devido a problemas na mesma. Após a análise de todos os dados aqui divulgados foi determinada a configuração a ser usada nos testes referentes ao concurso da disciplina de Medições Térmicas. Esta será a que apresentou melhor desempenho nos testes e que consiste em água aspergida sobre folha de celulose. Como continuação a este trabalho sugere-se um estudo através da biomimética e a biônica com o objetivo de encontrar formas que se adaptem às características aqui procuradas. Pode-se citar, por exemplo, a busca de vegetais que possuam uma afinidade a água e que possam liberar a mesma evaporando-a quando submetidas ao vento. Ou ainda, a busca de materiais que tenham um comportamento de se adaptar ao vento, fazendo com que o mesmo escoe com uma mínima perda de carga. Os resultados do modelo construídos mostraram-se satisfatórios levando-se em conta uma primeira abordagem. O estudo da natureza e sua ligação com a Engenharia poderá fornecer soluções novas e surpreendentes que satisfaçam os desejos do autor.

22 17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOX, R. W., MCDONALD, A. T., PRITCHARD, P. J., Introdução à mecânica dos fluidos, Rio de Janeiro, LTC (2006). ASHRAE Handbook of Fundamentals Editora ASHRAE (ISBN: ); BAYER, P. O. Polígrafo de Climatização Editora DEMEC UFRGS; ASHRAE ASHRAE Standard , Standard Measurement Guide, Engineering Analysis of Experimental Data Editora ASRAE; SCHNEIDER, P.S. Apostila de Medições Térmicas Editora DEMEC - UFRGS;

23 18 APÊNDICE Figura 7 Materiais para a construção Figura 8 Teste do mecanismo aspersor Figura 9 Resfriador pronto na bancada

24 19 ANEXOS Carta psicrométrica (Fonte: CARRIER, 2009).