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 ANÁLISE DO TEMPO DE RESPOSTA DE UM ACUMULADOR DE ENERGIA SUBMETIDO A UM ESCOAMENTO DE AR por Albert Ohira Dias Luiz Fernando Pezzi Trabalho final da disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro, 2014.

2 AGRADECIMENTO Em primeiro lugar agradecemos a nossos pais por todo apoio, educação e carinho dados durante nossas vidas. Graças a eles temos a chance de lutar por nossos sonhos. Agradecemos aos nossos mestres, pelo conhecimento e pelas lições ensinadas ao longo do curso. Somos gratos também a todos os amigos que conhecemos durante estes anos de engenharia. Foi um prazer tê-los ao nosso lado.

3 3 Dias, A.D.; Pezzi, L.F.; CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DO TEMPO DE RESPOSTA DE UM ACUMULADOR DE ENERGIA SUBMETIDO A UM ESCOAMENTO DE AR. Relatório da cadeira de Medições Térmicas Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Nesse trabalho foi desenvolvido e analisado um protótipo de acumulador de energia térmica. O mesmo foi projetado e construído com o principal objetivo de se obter o menor tempo de resposta em um regime de acumulação de energia térmica, quando submetido a uma corrente de ar forçada com temperatura prescrita. O acumulador é fabricado de Resina Poliéster Cristal, tem massa nominal de 1 kg e seu tamanho é limitado pelas dimensões internas da seção de ensaios: 46 cm de comprimento, 30 cm de largura e 15,5 cm de altura. O protótipo é testado em uma bancada de testes instrumentada com sensores de vazão e temperatura, onde se impôs um escoamento utilizando um ventilador com rotação constante. Foi construído um tubo Venturi como instrumento de medição de vazão e foi utilizado um NTC como sensor de temperatura. Estas medições foram comparadas com medições de sensores fornecidos pelo laboratório. Devido à pequena relação entre o diâmetro da garganta do Venturi e o diâmetro do duto, a diferença de pressão obtida foi muito elevada para as condições do ensaio impossibilitando as medições. PALAVRAS-CHAVE: Acumulador de Energia Térmica, Medições Térmicas, Fenômenos de Transporte.

4 4 Dias, A.D.; Pezzi, L.F.; DEVELOPMENT AND ANALISIS OF A THERMAL ENERGY ACCUMULATOR TIME RESPONSE APPLIED TO AN AIR FLOW. Report of Thermal Measures subject Mechanical Engineer Department, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT In this work a thermal energy accumulator is developed and analyzed. This accumulator is designed and built with the objective to have the smallest thermal constant rate possible when exposed to a forced air flow with prescribed temperature. The accumulator was manufactured in Polyester Resin Crystal, with 1 kg nominal. Its size is limited by the test section internal dimensions: length 46 cm, width 30 cm and height 15.5cm. The prototype was tested at an instrumented bench with flowmeters and temperature sensors. A fan with constant rotation was used to create the flow. In addition to this, it was designed and developed flowmeters and temperature sensors. The measurements of the developed sensors were compared with the laboratory equipment measures. KEYWORDS: Thermal Energy Accumulator, Thermal Measures, Transport Phenomena.

5 5 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AET RPC TC MCG Acumulador de Energia Térmica Resina Poliéster Cristal Trocadores de Calor Método da Capacitância Global

6 6 LISTA DE SÍMBOLOS A Área da seção transversal do duto [m] Cp Calor específico do ar à pressão constante constante = 1004,8 [ J kg K g Aceleração da gravidade 9,81 [ m s 2] p Pressão [Pa] q Taxa de calor transferido [W] T Temperatura [K ] V Velocidade [ m s β Razão entre os diâmetros adimensional ρ Densidade [ Kg m 3] h Coeficiente [ W m 2.K As Área Superficial [m 2 ] T Temperatura do Escoamento [K] E sai Energia perdida pelo sólido para o fluido [W] E acu Energia acumulada no Acumulador [W] E Fator de velocidade de Aproximação adimensional D 1 Diâmetro seção inicial [m] D t Diâmetro da garganta [m] c Calor específico em [J/(kg.K] θi Temperatura relativa inicial [K] θ Temperatura relativa em análise [K]

7 7 SUMÁRIO RESUMO... 3 ABSTRACT... 4 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS... 5 LISTA DE SÍMBOLOS INTRODUÇÃO REVISAO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO MÉTODO DA CAPACITÂNCIA GLOBAL INSTRUMENTOS MEDIDORES DE VAZÃO INSTRUMENTO MEDIDOR DE PRESSÃO INCERTEZAS DE MEDIÇÃO PROPAGAÇÃO DE INCERTEZAS TÉCNICAS EXPERIMENTAIS PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA PROTÓTIPO DE MEDIDOR DE VAZÃO BANCADA DE ENSAIOS RESULTADOS E DISCUSSOES ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA TUBO VENTURI INTRUMENTO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS CONSIDERAÇÕES FINAIS... Erro! Indicador não definido.

8 8 1 INTRODUÇÃO Nesse trabalho foi realizada a construção de um protótipo de Acumulador de Energia Térmica (AET). A motivação de este trabalho surgiu inicialmente da utilização de acumuladores térmicos em um secador de frutas presente na fazenda de educação ambiental Quinta da Estância. No caso do secador é desejável a maior constante de tempo possível. Percebendo-se a dificuldade relativa ao tempo necessário para realizar ensaios de maior constante de tempo foi decidido que esta não seria mais a motivação do trabalho e os grupos buscariam obter a menor constante de tempo possível. O material escolhido para os protótipos de AET foi Resina Poliéster Cristal (RPC). Este material é vendido em forma líquida e é utilizado para fabricação de telhas translúcidas, vitrô e peças artesanais. Apresenta alta viscosidade, ótimo moldabilidade e ao reagir com o catalisador Butanox se torna sólido em cerca de três horas. Foi determinado que os grupos deveriam construir protótipos de AET com a menor constante de tempo utilizando este material para um peso nominal de 1 kg e dimensões limites relativas à seção de ensaio: comprimento 46 cm, largura 30 cm e altura 15,5 cm. O objetivo do trabalho foi projetar e ensaiar o Acumulador de Energia Térmica com menor tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga térmica, ou seja, obter a menor constante de tempo. Uma vez que o material, sua massa e suas dimensões são padronizados para obter uma menor constante de tempo buscou-se a geometria com menor inércia térmica. Para isto foi desejável obter a maior área superficial e que esta estivesse o máximo possível em contato com o escoamento. A instrumentação para medição de vazão e temperatura foi desenvolvida pelos alunos e teve seus resultados comparados com os equipamentos do laboratório buscando-se o menor desvio possível.

9 9 2 REVISAO BIBLIOGRÁFICA A energia térmica fornecida pelo Sol para nosso planeta é intrinsicamente um fenômeno transiente. Os altos custos relativos à energia elétrica para funcionamento de sistemas térmicos geraram a necessidade de utilização de acumuladores térmicos. O preço da energia elétrica é função do horário na qual ela é utilizada. Grandes estabelecimentos comerciais com elevada ocupação entre as 18 e 22 horas, costumam utilizar acumuladores de energia térmica (grandes torres de água) para estocar frio produzido nos horários de tarifa menor e utilizá-la no horário de pico. Estes grandes acumuladores se tornam viáveis principalmente para shoppings, devido a grande carga térmica a ser refrigerada e às características de ocupação elevada no horário citado. Sistemas de aquecimento com energia solar também utilizam acumuladores térmicos para armazenar o calor proveniente da radiação solar e ter ela disponível pelo maior tempo possível. Conforme descrito por Javier Nacif H., 2010, é possível armazenar calor para estes sistemas em tanques de água, utilizando sólidos ou em materiais em troca de fase. O benefício do armazenamento em tanques da água está no alto calor específico, possibilitando grande capacidade de armazenamento em massa e volume reduzidos. Em Acumuladores de Energia Térmica normalmente busca-se manter o calor pelo máximo de tempo possível no acumulador. Para isto é desejável que as perdas de calor do AET sejam minimizadas, através de uma geometria favorável (pouca área para determinado volume) e utilização de materiais com baixa condutividade térmica. No projeto do nosso Acumulador de Energia Térmica a busca foi por uma pequena constante de tempo, rápida resposta a variações de temperatura. Nesse aspecto pode-se fazer um paralelo entre nosso AET e Trocadores de Calor (TC). Conforme descrito por Frank P. Incropera, 2005, O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações de engenharia. O equipamento usado para implementar essa troca é conhecido como trocador de calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento de ambientes e no condicionamento de ar, na produção de potencia, na recuperação de calor em processos e no processamento químico.. Para obtenção de rápida resposta às variações de temperatura, foram utilizados conceitos básicos de trocadores de calor no AET.

10 10 3 FUNDAMENTAÇÃO 3.1 TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO A variação da temperatura no Acumulador ocorre devido ao ganho de calor por convecção. A taxa de transferência de calor por convecção é dada pela equação 1: q = ha s (T T ) (1) Na qual q é a taxa de transferência de calor convectivo em Watt [W], h é o coeficiente convectivo em Watts por metro quadrado Kelvin [W/(m 2. K)], A s é a área da superfície do sólido em metros quadrados [m 2 ], T a temperatura do sólido em Kelvin [K], "T " a temperatura do fluido em Kelvin [K]. 3.2 MÉTODO DA CAPACITÂNCIA GLOBAL Utilizando a hipótese de que a temperatura do sólido é uniforme no espaço, em qualquer instante durante o processo transiente, podemos modelar o problema utilizando o Método da Capacitância Global (MCG), essa hipótese implica que os gradientes no interior do sólido sejam desprezíveis. Este método pode ser aplicado quando a resistência à condução no interior do sólido for pequena em comparação à resistência à transferência de calor entre o sólido e a sua vizinhança. Realizando um balanço de energia na fronteira do acumulador obtemos um balanço entre a taxa de perda de calor na superfície com a taxa de variação de sua energia interna, conforme podemos observar na equação 2: ou E sai = E acu (2) ha s (T T ) = ρvc dt dt (3) onde h é o coeficiente convectivo em Watts por metro quadrado Kelvin [W/(m 2. K)], A s é a área da superfície do sólido em metros quadrados [m 2 ], T a temperatura do sólido em Kelvin [K], "T " a temperatura do fluido em Kelvin [K]. Do lado direito da equação ρ é o massa específica em [kg/m³], c o calor específico em [J/(kg.K], " dt " é a variação da temperatura do dt acumulador em função do tempo [K/s]. Manipulando essa igualdade e realizando a integração dos dois lados é obtido a equação abaixo: ρvc A s ln θi θ = t (4)

11 11 onde "θi" é a temperatura inicial dada por θi = T i T em Kelvin [K], "θ" a temperatura no momento em análise θ = T T em Kelvin [K], t o tempo necessário para o sólido atingir a temperatura T em segundos [s]. Aplicando a exponencial nos dois lados dessa equação obtemos a constante de tempo, como pode ser visto na equação 5: τ t = 1 ha s ρvc (5) Sendo τ t a constante de tempo [s] e as demais variáveis nas unidades já explicadas anteriormente. 3.3 INSTRUMENTOS MEDIDORES DE VAZÃO A seguir é apresentado o equacionamento empregado para a determinação da vazão volumétrica em medidores de vazão por obstrução para escoamentos incompressíveis. O equacionamento visa estabelecer uma relação da vazão com a diferença de pressão medida a montante e a jusante da obstrução. As expressões da vazão teórica são obtidas a partir das equações da continuidade e de Bernoulli, considerando-se um fluido ideal, em escoamento adiabático e sem atrito. A equação de Bernoulli, aplicada a um fluido escoando ao longo de uma linha de corrente, é dada por: p + 1 ρv² + ρgz = constante (6) 2 onde p é a pressão estática em determinado ponto do escoamento (Pa), ρ é a massa específica do fluido (kg/m³), V é a velocidade do escoamento (m/s), g é a aceleração da gravidade (m/s²) e z é a cota de altura do escoamento (m). No caso dos medidores de vazão por obstrução, a equação de Bernoulli deve ser aplicada em dois pontos de observação 1 e 2, antes e depois da obstrução respectivamente, como pode ser visualizado na figura abaixo. Figura 1 Escoamento em um bocal genérico (Fonte: FOX e MCDONALD, 1995).

12 12 Tomando-se então as seções de observação 1 e 2 ao longo da linha de corrente, e assumindo que a massa específica é constante (escoamento incompressível), que o escoamento é permanente, sem atrito, sem diferença de cota z e com velocidade uniforme ao longo das seções 1 e 2, obtém-se: p 1 ρ V 1 2 = p 2 ρ V 2 2 (7) onde p 1 é a pressão estática na seção 1 (Pa), V 1 a velocidade do escoamento na linha de corrente na seção 1 (m/s), p 2 a pressão estática na seção 2 (Pa), V 2 a velocidade do escoamento na linha de corrente em análise na seção 2 (m/s) e ρ a massa específica do fluído (kg/m³). Também respeitando condições acima expostas, a equação da continuidade é dada por: A 1 V 1 = A 2 V 2 (8) onde A 1 e A 2 representam, respectivamente, a área da canalização em 1 e a área da veia contraída em 2, V 1 a velocidade do escoamento na linha de corrente na seção 1 (m/s) e V 2 a velocidade do escoamento na linha de corrente em análise na seção 2 (m/s) econforme pode ser visualizado na Figura 1. Combinando-se as equações (7) e (8), obtém-se uma expressão para a velocidade V 2 na descarga da obstrução e consequentemente para a vazão Q em m³/s, em função da diferença de pressão: 1/2 Q = V A 2 [ 2(p 1 p 2 ) ] 2 ρ(1 D 2 4 D 4 ) 1 (9) onde Q é a vazão (m³/s), A 1 e A 2 representam, respectivamente, a área da canalização em 1 e a área da veia contraída em 2, V 2 a velocidade do escoamento na linha de corrente em análise na seção 2 (m/s), p 1 é a pressão estática na seção 1 (Pa), ), p 2 a pressão estática na seção 2 (Pa), D 1 o diâmetro da canalização na seção 1 (m), D 2 o diâmetro da vena contracta do escoamento (m) e ρ a massa específica do fluído (kg/m³). A determinação do diâmetro D 2 é difícil de ser executada. Dessa forma, no seu lugar emprega-se o diâmetro da obstrução D t, conforme a Figura 1, incorporado por intermédio da razão entre diâmetros β dada por: β = D t D 1 (10) onde D 1 o diâmetro da canalização na seção 1 (m) e D t o diâmetro da garganta do dispositivo (m). O valor de da razão entre diâmetros é incorporado pelo fator de velocidade de aproximação E, tal que: E = 1 1 β 4 (11)

13 13 onde E é o fator de velocidade de aproximação e β a razão de diâmetros. Dessa forma, a equação (9) para a vazão em m³/s pode ser reescrita como: Q teorica = E A t 2(p 1 p 2 ) ρ (12) onde Q teorica é a vazão teórica do escoamento levando em conta a razão de diâmetros (m³/s), E o fator de velocidade de aproximação, β a razão de diâmetros, A t a área da seção transversal da garganta (m²), ), p 1 é a pressão estática na seção 1 (Pa), ), p 2 a pressão estática na seção 2 (Pa) e ρ a massa específica do fluído (kg/m³). A equação acima é uma expressão de vazão teórica, não considerando as perdas devido ao atrito de escoamento. Para corrigir este problema, introduz-se o coeficiente adimensional de descarga Cd, tal que: Qreal = C d EA t 2(p 1 p 2 ) ρ (13) onde Qreal é a vazão real (m³/s), Cd o coeficiente de descarga, E o fator de velocidade de aproximação, β a razão de diâmetros, A t a área da seção transversal da garganta (m²), ), p 1 é a pressão estática na seção 1 (Pa), ), p 2 a pressão estática na seção 2 (Pa) e ρ a massa específica do fluído (kg/m³). Esta é a equação final para cálculo de vazão através de medidor por obstrução, em função da diferença de pressão medidas a montante e a jusante da obstrução. O coeficiente de descarga Cd pode ser obtido em tabelas em função do número de Reynolds e do diâmetro interno dos tubos, ou através de calibração experimental. A diferença de pressão é obtida através de tomadas de pressão estática medidas a montante e a jusante da obstrução 3.4 INSTRUMENTO MEDIDOR DE PRESSÃO Um manômetro de tubo inclinado é um instrumento que serve para medir diferenciais de pressão com maior precisão, já que tem a vantagem de operar com escalas de maior graduação que os manômetros verticais, para a mesma variação de pressão (SCHNEIDER, 2007). Três parâmetros definem a sensibilidade do manômetro de tubo inclinado: a densidade do fluido manométrico, a inclinação do tubo e a relação de diâmetros. Esses parâmetros devem ser os menores possíveis a fim de se obter uma boa sensibilidade. O líquido manométrico deve possuir a menor densidade relativa possível, ser atóxico, não inflamável, possuir pequenas perdas por evaporação e ter uma coloração para melhorar sua visibilidade. A razão de diâmetros deve ser a menor possível para que a maior parte da variação no nível do líquido ocorra no tubo de medição (FOX et al, 2006).

14 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO Os instrumentos de medição fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fenômeno. Logo, sabe-se que há uma divergência entre o valor medido e o valor real. Esta diferença é definida como o erro associado à medição, podendo ser causado tanto por fenômenos aleatórios quanto por problemas na instrumentação. 3.6 PROPAGAÇÃO DE INCERTEZAS É comum, após a medição de um experimento, utilizar os dados coletados para calcular outras grandezas. Neste processo, as novas grandezas são acompanhadas com os erros das variáveis utilizadas.

15 15 4 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 4.1 PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA O protótipo de AET construído apresentava algumas restrições tais como material, peso e tamanho, este último limitado pelas dimensões internas da seção de ensaios: 46 cm de comprimento, 30 cm de largura e 15,5 cm de altura. Estipulou-se resina poliéster cristal, solidificada com auxílio de um catalisador como material utilizado para confecção do acumulador que deveria apresentar massa final de 1000 ± 50 g. Visto as restrições de construção do acumulador, verifica-se que o aspecto mais importante visando o menor tempo de resposta para um regime de acumulação de energia térmica possível é a geometria do acumulador. Através da equação 1, observa-se que quanto maior a área superficial do acumulador em contato com o escoamento, maior será o fluxo de calor entre escoamento e acumulador, causando assim, um aquecimento mais rápido do AET. Sabe-se que o uso de superfícies aletadas é a ferramenta utilizada para aumento da área superficial para uma mesma quantidade de massa de um determinado componente. Baseado neste conceito vastamente aplicado em trocadores de calor buscou-se construir um acumulador com aletas. Utilizaram-se duas formas de gelo caseiras como molde para a resina, que depois de solidificada foram unidas formando uma geometria com área superficial maior se comparado com outras geometrias simples e espera-se assim que haja um maior fluxo de calor resultando em um menor tempo de resposta do acumulador. Figura 2 - Protótipo de Acumulador de Energia Térmica fabricado em resina poliéster cristal. Configuração final.

16 PROTÓTIPO DE MEDIDOR DE VAZÃO Dentre os diversos tipos de instrumentos de medição de vazão existentes, optou-se pela construção de um Venturi. A escolha do Venturi baseou-se no fato de este instrumento impor uma baixa perda de carga ao escoamento se comparado com outros instrumentos como placa de orifício e bocal medidor como pode ser visualizado na figura abaixo. Figura 3 - Perda de carga em medidores por obstrução (Fonte: FOX e MCDONALD, 1995). Através da figura acima, observa-se que os medidores de vazão de placa de orifício e bocal possuem uma perda de carga elevada, geralmente com valores acima de 50%, enquanto o tubo Venturi apresenta valores consideravelmente menores, com perdas de carga inferiores a 30%, justificando assim, a sua escolha como medidor de vazão deste trabalho. Outro dado importante que pode ser verificado na figura acima é que um dos fatores que influenciam na perda de carga é a razão entre os diâmetros da obstrução e da canalização. A construção do tubo Venturi foi realizada utilizando os seguintes materiais: duas garrafas de refrigerante de 2,5 L, cola para tubos PVC, fita isolante e canos de PVC de 100 mm de diâmetro. O protótipo final do tubo Venturi construído pode ser verificado na figura abaixo. Obteve-se uma razão de diâmetros com valor de 0,21. Observa-se através da figura 3 que esteve valor é um dos menores valores adotados para tubos Venturi acarretando assim em uma maior perda de carga. Entretanto, devido à facilidade de construção do tubo Venturi com estes materiais e o baixo custo envolvido e observando que mesmo com um valor de 0,21 a perda de carga é teoricamente menor do que a de outros tipos de medidores de vazão optou-se por essa construção.

17 17 Figura 4 Tubo Venturi construído. Configuração final. 4.3 BANCADA DE ENSAIOS A bancada experimental sobre a qual o comportamento dos acumuladores foi ensaiado é mostrada esquematizada na figura abaixo: Figura 5 Esquematização da bancada de ensaio [Fonte: Edital do projeto, 2014]. Essa bancada foi projetada e construída pelo Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA), não fazendo parte da construção do protótipo do presente relatório. Verifica-se a presença de instrumentos de medição de vazão, temperatura e pressão, assim como o meio propulsor de ar (ventilador), aquecedor e a localização da seção de ensaios.

18 Ar a temperatura ambiente é admitido na bancada e forçado através do sistema por um ventilador com rotação constante (1), a vazão resultante é medida por uma placa de orifício do LETA (2) e segue então para uma segunda seção de ensaio (3) na qual é realizada a medição de vazão através de um tubo Venturi que também é alvo de estudo deste trabalho. O ar segue para o aquecedor (4) que eleva sua temperatura para cerca de 70 C. A temperatura e pressão estática do ar são lidas em (5) com instrumentos do Leta. O ar quente é injetado na seção de ensaios (6) e posteriormente tem novamente sua temperatura e pressão estática lida em (7), com instrumentos do Leta. Um sensor de temperatura PT100 é instalado em (8). Desse ponto em diante, o ar segue até sua descarga para o ambiente. 18

19 19 5 RESULTADOS E DISCUSSOES 5.1 ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA O Acumulador de Energia Térmica será ensaiado conforme explicado na seção 4. Utilizando a evolução de temperaturas captadas pelo sensor de temperatura que está após a seção de ensaio é possível traçar a curva de temperatura versus tempo de resposta do acumulador. Inicialmente as temperaturas no termômetro posterior a seção de ensaio irão decair devido à diminuição da temperatura do ar em contato com o AET que estará a zero grau Celsius. A temperatura atingirá um mínimo e começará a subir até atingir uma temperatura máxima. Espera-se um comportamento semelhante ao da figura 4. Observando a evolução das temperaturas e traçando um gráfico será possível obter a constante de tempo a qual representa 63% do valor da temperatura final. Devido a dificuldades logísticas relacionadas ao tempo necessário para refrigeração do protótipo para realização do ensaio, decidiu-se que os resultados relacionados à constante de tempo serão adicionados a este trabalho posteriormente. O bom desempenho do protótipo de AET depende fundamentalmente da eficiência da geometria em trocar calor com o ar em escoamento, sendo de suma importância a maior área possível em contato com o escoamento e o maior coeficiente convectivo na interface escoamento AET. Figura 6 - Evolução esperada da temperatura do ar na saída da seção de ensaio. 5.2 TUBO VENTURI O protótipo de Venturi fabricado pelo grupo foi testado na bancada experimental. Após diversas medições foi obtida uma diferença média de pressão estática de 60 mmca (milímetros de coluna d água) entre a seção de 100 mm do Venturi e a garganta de 21 mm. Esta diferença de pressão equivale a 588 Pa. Considerando a densidade do ar a 25 C igual como 1,1839 kg/m³ e aplicando as equações apresentadas na seção 3, obtém-se uma vazão teórico de 1,550 E-2 m³/s. Sabendo que o ventilador fornece uma velocidade constante de 3 m/s e que a tubulação tem diâmetro de 100 mm, a vazão real é de 2,356 E-2 m³/s. Comparando a vazão real e a vazão

20 Vazão m³/s 20 teórica é obtido um valor de coeficiente de descarga maior que a unidade, valor incoerente e impossível, indicando que o diferencial de pressão medido foi inferior ao que deveria ser obtido. Isso indica que o tubo Venturi construído pelo grupo necessita melhorias. Um valor maior de diferencial de pressão deveria ter sido medido pelo Venturi, e consequentemente, um valor maior da vazão teórica seria obtido e o coeficiente de descarga assumiria valores plausíveis e menores que a unidade. Possíveis causas relacionadas a esta falha são: (1) Vazamento de ar em algum ponto do Venturi, fazendo com que ar escape da tubulação e a pressão estática interior seja menor; (2) Devido à simples configuração do Venturi e à baixa qualidade do material e dos furos de tomada de pressão, verificou-se que os bicos de tomada de pressão não foram bem instalados. Verificou-se que os bicos de tomada de pressão estavam interrompendo o escoamento, quando se sabe que estes devem ficar perfeitamente posicionados na parede do tubo; (3) Indica-se para uma próxima tentativa de construção Venturi, uma razão de diâmetros maior, fazendo com que o escoamento não sofra uma brusca variação de velocidades. A curva de calibração do Venturi é apresentada abaixo. Não foi possível prosseguir o ensaio devido às limitações do Manômetro utilizado: 0,008 0,007 0,006 y = 0,0009x 0,5 R² = 1 0,005 0,004 0,003 0,002 0, Pressao mmca Figura 7 Curva de Calibração do Venturi

21 INTRUMENTO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA O medidor NTC foi utilizado para medição das temperaturas no escoamento por ter bom custo e fornecer a precisão adequada para a aplicação em questão. Os resultados obtidos foram comparados com os fornecidos pelo laboratório e apresentaram um erro de aproximadamente 7 graus. A curva de calibração do NTC é apresentada abaixo. Temperatura C 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 Curva NTC 0,0 0,00 5,00 10,00 15,00 y = 0,6479x 2-13,087x + 92,568 R² = 0,9911 Temperatura C Polinômio (Temperatura C) resistencia [kω] Figura 8 Curva calibração NTC

22 22 6 CONCLUSÃO A utilização de formas de gelo caseiras para a criação de duas camadas que formaram o sólido deixando lacunas para que o escoamento escoasse por entre as camadas sem que houvesse uma perda de carga muito elevada e buscando elevadas trocas térmicas com as superfícies do Acumulador de Energia Térmica não se mostrou uma solução boa para o problema, pois seria possível obter superfícies com maior área superficial. A criação de um tubo Venturi para medição de vazão solidificou o embasamento técnico da disciplina. Uma vez que o diferencial de pressão do Venturi foi superior ao da placa de orifício e o Venturi apresentava garganta menor que a placa, imaginou-se que estava coerente a medição de pressão encontrada. Entretanto, após aplicação do método apresentado na seção 3, verificou-se que o coeficiente de descarga do Venturi construído é maior que a unidade, valor este, incoerente. Consequentemente, o Venturi proposto pelo grupo necessita melhorias. Acredita-se que prováveis causas para esta falha sejam vazamento de ar em algum ponto do Venturi, provavelmente nas tomadas de pressão, onde os furos não foram feitos com a precisão e qualidade necessária. As medições com NTC forneceram dados coerentes com a realidade e apresentaram um erro aceitável dentro do contexto do trabalho.

23 23 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 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.; Medição de Pressão, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, FOX, Robert e MCDONALD, Allan; Introdução à Mecânica dos Fluidos, LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, Rio de Janeiro, INCROPERA, F. P e DEWITT, D. P.; Fundamentos de transferência de Calor e Massa, LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, Rio de Janeiro, MALISKA, C.R., Transferência de calor e mecânica dos fluidos computacional, LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2004 Javier Nacif H; ACUMULACIÓN TÉRMICA PARA UN SISTEMA DE CALEFACIÓN SOLAR ACTIVO, IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 2010.