PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE CALOR DE BAIXA CONSTAN- TE DE TEMPO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENOMENOS DE TRANSPORTE PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE CALOR DE BAIXA CONSTAN- TE DE TEMPO Por Lenon Centenaro Felipe Gusberti Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro 2014

2 ii Centenaro, L., Gusberti, F. W. Protótipo de acumulador de calor de baixa constante de tempo páginas. Trabalho final da disciplina Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Este experimento consiste no desenvolvimento e fabricação de um protótipo de acumulador de calor de resina poliéster com o intuito de estocar energia térmica oriunda de uma corrente de ar quente em uma bancada de ensaio. Tendo como premissa que nada além do acumulador de calor possa ser alterado na bancada, a proposta aqui é acoplar um acumulador a uma caixa com dimensões pré-determinadas que interfira positivamente na acumulação de energia e obstrua o mínimo possível o escoamento de ar, tendo como resultado um menor tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica. A metodologia utilizada é baseada na maior área de troca possível entre o acumulador e a corrente de ar, respeitando as limitações impostas pelo material, sendo assim o modelo confeccionado é baseado em uma colmeia, aumentando significativamente a área de troca de calor em comparação com um sólido. O acumulador foi testado no LETA-UFRGS (Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos) e submetido às condições propostas. Foram utilizados medidores de vazão e temperatura, devidamente calibrados com base em sensores de referência, na medição das quantidades físicas envolvidas. A área obtida com a forma escolhida foi de aproximadamente m² contra aproximadamente m² do acumulador de referência. No teste realizado, notou-se uma queda de temperatura de aproximadamente 8ºC e o tempo de de aproximadamente 8 minutos, comparado com o protótipo de referência com 15 minutos de tempo de ensaio resposta, o perfil estudado mostrou-se muito eficiente por simples confecção, baixo custo e melhoria significativa no resultado. PALAVRAS-CHAVE: Trocador, Calor, Acumulador, Sensível, Constante, Tempo, Temperatura, Resina, Poliéster.

3 iii Centenaro, L., Gusberti, F. W. Protótipo de acumulador de calor de baixa constante de tempo pages. Trabalho final da disciplina Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT This experiment consists in the development and manufacture of a polyester heat accumulator prototype in order to store thermal energy available from a hot forced air flow in a test bench. Assuming that nothing but the heat accumulator can be changed in the experiment, it has been proposed to make the heat accumulator in a way that it can fit in the test bench and improve the time constant in relation of a pre-determined heat accumulator (cylindrical shape) in a cylindrical shape and also interfere as least as possible in the air flow. The methodology used is based on the larger possible contact area with the flow, respecting the material manufacture constraints. Following that, a honey comb based shape was constructed, improving significantly the heat exchange area, compared to the pre-determined heat accumulator. The heat exchanger was tested on the required conditions at the Aerodynamics and Thermic Stud Laboratory (LETA). Temperature and air volumetric flow rate were manufactured and calibrated with reference instruments. The approximate area of the heat accumulator was m² versus m² of the reference accumulator. In the test performed, was obtained a temperature drop of 8 C and a time of approximate 8 minutes to complete the test. The reference accumulator obtained approximated values of 1ºC for temperature drop and 15 minutes for test completion. The manufactures shape improved significantly the time constant of the accumulator proving the its influence on the convection heat exchange. KEYWORDS: Heat, Exchanger, Storage, Accumulator, Sensible, Temperature, Polyester, Time, Constant.

4 iv LISTA DE FIGURAS Figura 1.1- Esquema da bancada de ensaio utilizada. (Fonte: Edital do projeto) Figura 4.1 Layout básico do acumulador de calor. Figura 4.2 Caixa de molde com fundo em massa de modelar. Figura 4.3 Caixa molde com canudos pronta para vazamento da resina. Figura 5.1 Curva estimada de temperatura versus tempo de ensaio LISTA DE SÍMBOLOS A: Área [m²] C p : Calor específico do fluido [J/(kg.K)] F : Força [N] h: Coeficiente de película [W/(m 2.K)] m: Massa [kg] M: Massa molar [kg/mol] n: Número de mols P: Pressão [Pa] Pot: Potencia [W] ρ: Massa específica [kg/m³] Q: Vazão volumétrica [m³/s] q: Taxa de transferência de calor [W] R: Constante universal dos gases perfeitos [J/(mol.K)] T Temperatura [ºC] u: Velocidade [m/s] V: Volume [m³]

5 v SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRAFICA FUNDAMENTAÇÃO METODOLOGIA RESULTADOS CONCLUSÃO... 7 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA... 8 APÊNDICE A... 9 APÊNDICE B... 10

6 1 1. INTRODUÇÃO Este trabalho foi apresentado para a turma como parte da avaliação semestral da disciplina de Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica da UFRGS, sendo realizado como forma de concurso entre os grupos da turma e o protótipo pré-determinado pelos professores. A ideia central do problema nasceu de um projeto que o professor realizou na fazenda Quinta da Estância, que baseava-se em um secador de frutas, sendo direcionado para a parte de acumulador de calor do mesmo, com o objetivo de encontrar geometrias e formas de melhor acumular calor usando uma resina com peso pré-determinado. Para que o trabalho pudesse ser realizado e ensaiado, foi disponibilizada pelos professores uma bancada comum a todos os grupos, conforme figura (1.1). O problema tratado neste trabalho é o de acumular calor gerado durante o dia para que se possa manter uma temperatura considerada constante e ideal durante toda a noite quando existe ausência de energia solar e como consequência o resfriamento da superfície terrestre. A fim de simular essas condições, o aquecimento solar foi substituído por uma resistência elétrica e ar foi soprado por um ventilador em direção a resistência. Sendo assim o ar aquecido, passa por uma caixa vedada com isopor, simulando o espaço para acumular calor do secador de frutas, e dentro desta caixa é introduzido o trocador de calor confeccionado. Para verificação da eficiência do trocador acoplado, medidores de temperatura e vazão fornecidos pelos professores e confeccionados pelos grupos são adicionados ao sistema original, conforme é ilustrado na figura (1.1), e então é tomado o tempo de resposta do sistema. (1) (2) (3) Termômetro LETA Ventilador 1.00 m 1.00 m LUVA 1.00 m 1.00 m 1.00 m Medidor de vazão LETA (8) (7) (6) Seção de instrumentação Temperatura ALUNOS Termômetro Manômetro LETA Seção de ENSAIO nte: Edital do projeto) (5) Termômetro Manômetro LETA Seção de instrumentação Vazão e Temperatura ALUNOS (4) AQUECEDOR Figura 1.1- Esque ma da ban cada de ensaio utili lizazada. (Fo O objetivo principal do trabalho é, portanto, projetar um trocador de calor que tenha um baixo tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica, assim como realizar corretamente as medições de temperatura e vazão do ar através da utilização de medidores apresentados na disciplina ao longo do semestre. 2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA

7 2 Wen, T., et al, 2006, Analisou experimentalmente e numericamente trocadores de calor em formato de colmeia. Com uma face alimentada com fluxo de calor constante e com om trocador submetido à convecção forçada. Foram feitos protótipos e modelos matemáticos de aço e cobre em diversas formas e após isso, se obteve os dados de perda de carga da vazão de ar e ganhos ou perdas relativas à transferência de calor em relação a trocadores convencionais. Demonstrando que trocadores metálicos em formato de colmeia são ótimos candidatos para aplicações de troca de calor. Yuan-Xiang Fu, et al, 2014, Analisou os ganhos de transferência de calor de resina epóxi com adição de grafite, cobre, alumínio, oxido de zinco, nitrato de boro, alumina, diamante e prata, e obteve uma condutividade superior de 1,68 W/(m.K) com 43.3% da massa dos outros materiais para a amostra com grafite 3. FUNDAMENTAÇÃO 3.1 TERMODINÂMICA Assumindo o ar como gás ideal, temos a equação (1), de modo que por substituição de e manipulação algébrica podemos chegar na equação (2) P. V = n. R. T (1) ρ = P.M R.T (2) 3.2 TRANSFERÊNCIA DE CALOR O mecanismo de transferência de calor do experimento é regido pela convecção forçada de acordo com a equação (3): q = h. A. (T T s ) (3) 3.3 TURBINA PELTON A potencia gerada em uma turbina Pelton pode ser expressa pela equação (4): Pot = F. u (4) O a Força F pode ser calculada pela equação (5): F = ρ.u2 2. A palheta (5) Em uma turbina Pelton ideal, a velocidade tangencial é igual a velocidade do escoamento propulsor 3.4 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO Os instrumentos de medição fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fenômeno. Logo, há uma divergência entre o valor medido e o valor real. Esta diferença é o erro associado à medição, podendo ser causado tanto por fenômenos aleatórios quanto por problemas na instrumentação.

8 3 3.4 RESOLUÇÃO E SENSIBILIDADE DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO. É comum, após a medição de um experimento, utilizar os dados coletados para calcular outras grandezas. Ao se fazer isto, as novas grandezas são acompanhadas com os erros das variáveis utilizadas. Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equação de Kline e McClintock: u (6) f= ( f(x,y) x.u x) 2 +( f(x,y) y.u y) 2 4 METODOLOGIA Para o acumulador de calor foi proposta a geometria de colmeia. Sendo esta escolhida pela grande razão de área de troca de calor por massa e relativa facilidade de fabricação com o intuito de aumentar a área de troca térmica em relação ao acumulador de referência. 4.1 BANCADA DE ENSAIO Foi disponibilizada uma bancada de ensaio com insulamento de ar por ventilador centrifugo através de uma tubulação onde foram alocados instrumentos de referência, acoplamentos para instalação de instrumentos construídos. O espaço para colocação do acumulador de calor foi constituído por uma caixa de madeira isolada internamente com dimensões de 300 mm de largura 155 mm de altura e 460 mm de comprimento. 4.2 ACUMULADOR DE REFERENCIA Foi feito um ensaio de referencia com um acumulador de geometria cilíndrica com aproximadamente 1 kg de massa e m² de área de superfície, retornando um tempo de ensaio de aproximadamente 15 min. 4.3 ACUMULADOR DE CALOR A forma idealizada para o acumulador de calor pode ser vista na Figura 4.1, abaixo: Figura 4.1 Layout básico do acumulador de calor.

9 Material O material utilizado para confecção do acumulador de calor foi resina poliéster cristal. Esta tem coloração transparente e é vendida em forma liquida. Para que possa ser aplicada, deve ser misturada com catalizador. Após isso deve ser vazada em um molde em até 15 min. O tempo de cura foi de aproximadamente 24 h variando com a proporção de catalizador, que deve ser de até 3 % em peso de resina poliéster Premissas O acumulador foi projetado de maneira que se encaixasse na seção transversal do espaço disponibilizado para a alocação do mesmo desta forma, foi definido o número de furos em função do diâmetro destes e da distancia mínima entre eles definida em ensaios prévios, de modo que preenchessem a maior área da seção transversal sem que fragilizasse a estrutura Molde Para confecção do molde, foi feita uma caixa vazada com a área interna igual à área da seção transversal da caixa do ensaio. O fundo da caixa foi feito de massa de modelar para que fossem cravados canudos de milk-shake como modelo dos furos passantes, como apresentam as figuras que seguem 4.2 e 4.3 Figura 4.2 Caixa de molde com fundo em massa de modelar.

10 Geometria final Figura 4.3 Caixa molde com canudos pronta para vazamento da resina. Com uma distância mínima entre furos de 4 mm, e canudos disponíveis de diâmetro de 10 mm foram obtidos 285 furos. Após a confecção do molde, foi vazado aproximadamente 1030 g de resina. Desta forma, com a contração do material após secagem e cura, as dimensões finais aproximadas do acumulador foram: Largura: 292 mm Altura: 147 mm Profundidade: 35 mm Diâmetro dos Furos: 8 mm Resultando em uma Área de troca de m² contra aproximadamente m² do Acumulador de referência. 4.4 INSTRUMENTOS Foram montados um medidor de vazão volumétrica e um medidor de temperatura para o ensaio Medidor de vazão volumétrica Foi idealizado um medidor de vazão volumétrica de materiais reciclados, de configuração similar a uma turbina Pelton, de modo que as medições sejam próximas a linear. Foram utilizados matérias já sem uso em seu propósito original. De um controle de videogame foi retirado um motor elétrico de corrente contínua que foi usado como gerador, de uma pote foi retirada a tampa para que fosse utilizada como rotor, de canudos antigos foram feitas as pás, com potes de sorvete foram feitas a carenagem do sistema, fios elétricos antigos foram soldados ao motor para que fosse medida a voltagem induzida no mesmo pelo movimento do rotor que foi acoplado. O equipamento foi montado em um cano de PVC e o equipamento foi selado com fita isolante. Após isso o medidor foi calibrado com um medidor de referência. Suas curvas característica e de calibração estão apresentadas no APÊNDICE A Medidor de temperatura

11 6 Foi adquirido um sensor NTC e este foi montado em um segmento de cano de PVC. Após isso, foi calibrado com um PT100 de referencia., fornecido pelo LETA. Suas curvas característica e de calibração são apresentadas no APÊNDICE B. 4.4 ENSAIO Com o objetivo de comparação da constante de tempo do acumulador de calor e o acumulador de referencia, foi imposta uma vazão de ar de aproximadamente 20 L/s com temperatura de saída na caixa de ensaio de aproximadamente 61 C. O acumulador de calor foi inserido na caixa e foi medido o tempo em que a temperatura da saída chegou a uma temperatura mínima, no caso, aproximadamente 53 C, e retornou a 63% da diferença entre a máxima e mínima temperatura, sendo assim, um valor aproximado de 8 min. A influencia da perda de carga imposta pelo acumulador de calor, no sistema, também foi aferida. 5 RESULTADOS O acumulador de calor confeccionado apresentou um tempo de ensaio 46% mais rápido que o acumulador de referência. A área efetiva de troca térmica foi aumentada em aproximadamente 20 vezes em relação ao acumulador de referência. Não se notou interferência do acumulador de calor sobre a vazão volumétrica do sistema. A curva aproximada de temperatura versus tempo pode ser vista na Figura 5.1. Figura 5.1 Curva estimada de temperatura versus tempo de ensaio Os objetivos do ensaio foram atendidos satisfatoriamente de modo que a geometria de colmeia demonstrou ganhos bastante significativos em relação ao acumulador cilíndrico, dando subsídios para que se possam fazer estudos mais aprofundados entre a relação de diâmetro de furo pela área da seção transversal da colmeia. Pode-se, também, analisar a influência de aditivos na condutividade da resina poliéster além de um estudo sobre a influência da rugosidade sobre a troca térmica da colmeia com o meio, além de testes com outras geometrias de furo. No que tange a os instrumentos construídos, para o medidor de vazão a curva de calibração foi ajustada como uma exponencial apresentada no APÊDICE A, podendo ser substituída por uma curva linear em casos onde a precisão não é de extrema importância. Já o medidor de temperatura teve comportamento

12 7 esperado para o sensor adotado (NTC) e foi escolhida uma curva de ajuste logarítmica, esta, apresentada no APÊNDICE B. 6 CONCLUSÃO Com a confecção do trocador de calor proposto pelo grupo, pode-se perceber que a geometria do trocador de calor é de suma importância para se ter resultados legitimamente satisfatórios quando o assunto é o acumulo ou a troca de calor entre um escoamento e um solido qualquer. Os resultados alcançados com o projeto foram de fato muito significativos. Atraves de uma confecção artesanal e muito rústica, já se conseguiu melhorias da ordem de quase 50% no tempo de resposta do solido apresentado no edital como referencia, concerteza com processos de fabricação mais sofisticados, mantendo-se a ideia central, esse ganho poderia ser ainda maior. Concluindo-se assim que a geometria apresentada para o trocador pode ser facilmente implementada na indústria. A solução apresentada pelo grupo certamente não é uma solução definitiva e otimizada, tendo em vista que foi projetada apenas com intuição físicas que os componentes do grupo possuíam a respeito do tema proposto. A fim de melhorar ainda mais o desempenho do trocador, seria possível simular em programas de métodos computacionais afim de compreender melhor o comportamento do escoamento do ar, campos de pressão e temperatura. Como proposta para trabalhos futuros, aconselha-se a utilização de simulações computacionais a fim de otimizar o acumulo de calor pelo protótipo assim como a troca de calor ar-solido.

13 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA INCROPERA, F. P.,Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6ª ed., SCHNEIDER, P. S.,2012, Medição de Pressão em fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos. Departamentode Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site 8

14 9 APÊNDICE A Curvas característica e de Calibração do Medidor de Vazão Volumétrica Q = 13, e 1, V

15 10 APÊNDICE B Curvas característica e de Calibração do Medidor de Temperatura T = 36.66ln(R)