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 PROJETO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR por Paola Superti Dalmagro Renato Fonseca Pedrotti Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014

2 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... 3 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS... 3 RESUMO... 4 ABSTRACT... 5 INTRODUÇÃO... 6 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 8 METODOLOGIA... 9 RESULTADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS APÊNDICE A APÊNDICE B APÊNDICE C

3 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Geometria de Coletor Solar e seu Fator de Eficiência...7 Figura 2: Tabela com as ponderações da contribuição da velocidade em função do raio normalizado do tubo...9 Figura 3: Diagrama da bancada de ensaios Figura 4: Detalhe da vista isométrica na descarga do coletor...10 Figura 5: Diagrama esquemático da medição de velocidade com o tubo de Pitot...11 Figura 6: Painel frontal da aplicação de monitoramento dos ensaios...12 Figura 7: Fotografia da bancada de testes, no dia do ensaio preliminar...12 Figura 8: Tubo de PVC de 100mm de diâmetro e sonda de tubo de cobre de 4mm de diâmetro interno...13 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS A: Área [m²] h: Altura [m] m: Massa [kg] m : Vazão mássica [kg/s] P: Pressão [Pa] T: Temperatura [ºC] U: Tensão [V] V: Velocidade [m/s] V: Volume [m³] V : Vazão volumétrica [m³/s] ρ: Massa específica [kg/m³] 3

4 RESUMO O presente trabalho é realizado com o intuito de desenvolver um protótipo de coletor solar térmico para aquecimento de ar. O protótipo é utilizado para aquecer o ar forçado a escoar por ele no ambiente de laboratório através de um ventilador operando com a frequência de 20 Hz. Um conjunto de lâmpadas incandescentes é utilizado para fornecer o fluxo de calor por radiação. A partir da medição de vazão volumétrica (0,03001 m³/s) e mássica (0,0356 kg/s), com um tubo de Pitot, além das temperaturas de entrada (23,7 C) e saída (39,58 C), com o auxílio de termopares tipo J, é possível verificar que o aumento da área da superfície absorvedora é eficiente em aumentar a taxa de calor transferida para o ar sem prejudicar em demasia a vazão, em comparação com o coletor solar de placa plana, chamado de coletor de referência. PALAVRAS-CHAVE: Coletor Solar Térmico, Aquecedor de Ar, Temperatura, Vazão. 4

5 ABSTRACT This paper is realized in order to develop a prototype of an air heather. The prototype is used to heat the air forced to flow through it in the laboratory environment using a fan operating with the frequency of 20 Hz. A set of incandescent lamps is used to supply the radiation. From the volumetric (0,03001 m³/s) and massive (0,0356 kg/s) flow measurement, using a Pitot tube, as well as entrance (23,7 C) and exit (39,58 C) temperatures, with the assistance of thermocouples type J, is possible verify that the increase of absorbing surface area is efficient to increase the flow of heat transferred to the air without damaging too much the flow of air, in comparison with the flat plate solar collector, named as reference collector. KEY-WORDS: Thermal Collector, Air Heater, Temperature, Flow of air. 5

6 INTRODUÇÃO O coletor solar de placa plana é o coração de qualquer sistema de coleta de energia solar, designado para uma operação com baixa ou média variação de temperatura. Coletores planos usam tanto a radiação direta como a difusa, não necessitam de rastreamento do sol, e requerem pouca manutenção. Um simples coletor plano consiste em uma superfície absorvedora (normalmente preta), uma armadilha para reter as perdas por radiação da superfície absorvedora (tal como o vidro, que transmite radiação solar com comprimento de ondas curtas, mas bloqueia as ondas longas vindas do absorvedor), o meio de transferência de calor é por ar, água, etc. O sistema também é composto por alguns isolamentos nas paredes. Coletores planos são normalmente fixados permanentemente em uma determinada posição. Os coletores devem ser orientados diretamente para o equador, virado a sul no hemisfério norte e norte no hemisfério sul. O ótimo ângulo de inclinação é igual à latitude do local com variação do ângulo de mais ou menos 10-15º, dependendo da aplicação. O trabalho foi proposto com o objetivo de aplicar os conhecimentos adquiridos na disciplina de medições térmicas para o melhoramento de um coletor solar de placa plana para aquecimento de ar. A partir de uma geometria fixa de 0,30x0,15x1,00 m, foram selecionados materiais e pesquisados formatos de chapas para aumentar a temperatura de saída do ar sem prejudicar muito a vazão. Através de sistemas de medição escolhidos, foi possível comparar a temperatura e a vazão na saída dos dois coletores. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O COLETOR SOLAR O coletor solar é um dispositivo onde se pode verificar a transmissão de calor através dos três processos: condução, convecção e radiação. A energia solar que incide por radiação é absorvida pelas placas coletoras. Estas transmitem a parcela absorvida desta energia para o ar, principalmente pelo processo de condução, e uma pequena parte é refletida para o ar que envolve a chapa. A eficiência do coletor é dada pela proporção destas três parcelas de energia (absorvida, transmitida e refletida) em relação à quantidade total de energia incidente. Dessa forma, o coletor será mais eficiente quanto maior for a quantidade de energia transmitida para o ar. A Figura 1 mostra seis geometrias para coletores solares. Também nesta figura estão os fatores de eficiência dos coletores. 6

7 Figura 1: Geometria de Coletor Solar e seu Fator de Eficiência. Fonte: Duffie, A tecnologia de coletores solares térmicos continua em crescente desenvolvimento, e atualmente a fronteira tecnológica fica por conta dos sistemas de ar quente para ventilação, utilizado principalmente em países frios, como Canadá e Alemanha. Suas funções são atenuação do clima, redução de perdas térmicas pela parede, melhoria da qualidade do ar, redução de problemas com pressão negativa, etc. Tais sistemas consistem em absorvedores negros perfurados junto às paredes dos ambientes a serem aquecidos para captura da energia solar, um ventilador que força o ar através do coletor, válvulas e aquecedores auxiliares para a regulagem da temperatura e dutos por onde o ar será distribuído pelo edifício. As perdas de calor pela parede serão recuperadas, retornando pelo ar de entrada. 7

8 As vantagens destes sistemas são inúmeras, como a possibilidade de montagem em qualquer superfície apropriada, a possibilidade de utilização de ventiladores e dutos já existentes nos locais, o baixo custo de manutenção, grande variedade de tamanhos, payback típico de 2 a 5 anos, entre outras. Podem ser utilizados tanto em projetos arquitetônicos como para pré-aquecer o ar para processos industriais e secagem de safras. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste trabalho, o balanço de energia entre a fonte de calor constante e a corrente de ar insuflada no coletor solar, em regime permanente, foi modelada conforme a equação (6). Onde: qar é a taxa de energia recebida pela corrente de ar, em W, m é a vazão mássica de ar insuflado, em kg/s, TE e TS são as temperaturas da corrente de ar na admissão e na descarga do coletor, respectivamente, em graus Celsius e Cp é o calor específico do ar a pressão constante (assumido em J/kg.K, para a faixa de 250 a 350 K, segundo o Incropera/DeWitt). q AR (m, T) = m C P (T S T E ) (6) Embora o CP seja constante, tanto a vazão mássica quanto as temperaturas foram lidas via instrumentos desenvolvidos, calibrados e instalados no protótipo. A medição da vazão mássica foi avaliada em função da volumétrica. Esta, por sua vez, se deu através da velocidade média, lida na diferença de pressão detectada por um tubo de Pitot contra uma tomada de pressão estática, como na equação (7). Onde: ATubo é a área do tubo, em m², ρar é a massa específica do ar em função da temperatura de admissão, em kg/m³. A velocidade média também foi ponderada em função do raio normalizado, onde aplicou-se o método das áreas iguais. A equação (9) apresenta a relação funcional da velocidade do escoamento com a diferença de pressão lida. O peso atribuído a cada velocidade, wi, foi levantado a partir da tabela esboçada na Figura 2. m = ρ(te)a Tubo V Media (7) V Media = V i w i (8) V i = 2 P ρ (9) 8

9 Figura 2: Tabela com as ponderações da contribuição da velocidade em função do raio normalizado do tubo. Fonte: Apostila de vazão da disciplina. Com relação a massa específica, ρar, assumiu-se um modelo de gás ideal, o qual é função da pressão absoluta do gás (estimada em Pascals), da constante R do ar, em 296,93 J/kg.K, e da temperatura da admissão, TE, em Kelvin. Como segue na equação (10). ρ(t E ) = p ABS R AR T E (10) METODOLOGIA A partir dos conhecimentos adquiridos principalmente na disciplina de Medições Térmicas, além de pesquisas realizadas pelo grupo, foi concebido um protótipo para melhoramento da eficiência do coletor solar proposto. GEOMETRIA Segue na figura 2 o diagrama esquemático da bancada de testes. O banco de lâmpadas foi composto por 17 lâmpadas de 200 W, em tensão elétrica de 220 V. O ventilador desfrutou de acionamento por conversor de frequência, excursionando dos zero aos 30 Hz, impondo vazão de acordo 9

10 com a perda de carga do circuito de tubulação, coletores e instrumentação. Para os testes o conversor deveria estar configurado para 20 Hz. A tubulação era de PVC com 100 mm de diâmetro. Também observa-se a posição aproximada das tomadas dos instrumentos. Figura 3: Diagrama da bancada de ensaios. O coletor não poderia exceder 0,3 x 0,15 x 1 metro (LxHxP). Fonte: Edital do trabalho final. SOLUÇÕES PARA A GEOMETRIA A proposta de melhoria de geometria, após a revisão bibliográfica, indicou o aumento da área de face da placa absorvedora, aquela que receberá radiação do banco de lâmpadas, para atacar de forma simplista uma geometria funcional e que permitisse uma série de outros melhoramentos. Segue na Figura 4 o esboço tridimensional do coletor, desenvolvido no ambiente SolidWorks. Figura 4: Detalhe da vista isométrica na descarga do coletor. Visualização do perfil proposto para a chapa. A placa absorvedora foi uma chapa de alumínio de 0,6 mm conformada em um perfil triangular. A área de coleção foi aumentada em 200%, apresentando 0,906 m², enquanto a de referência exibiu 10

11 0,3 m². A pintura, no sentido do aumento da absortância, foi com tinta spray preto fosco, padrão de mercado. No apêndice A segue a vista frontal e a isométrica do coletor. SOLUÇÃO PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA A medição de temperatura se deu através de juntas de termopar do tipo J e de um multímetro multiplexador Agilent Foram calibrados cinco fios de extensão que haviam sido desmobilizados de um experimento anterior, sem custos. A calibração se deu em cima de um PT100, calibrado e disponibilizado pela organização. Ao se lançar mão do multímetro Agilent, também se pôde usar o recurso de zero eletrônico que o instrumento dispõe como parâmetro de referência para medição de termopares. Posto isso, foram levantadas as curvas da temperatura dos termopares contra a temperatura do PT100. Dos cinco, foram selecionados os dois que apresentaram o parâmetro R ao quadrado unitário. Na tomada de temperatura de entrada, foi alocado o termopar J2, modelado como na equação (11). E o J3 na tomada de temperatura de saída, com o ajuste de curva da equação (12). T E = T TP J2 +1,1221 1,0211 (11) T S = T TPJ3 +1,2818 1,0227 (12) No apêndice B seguem os dados de calibração dos sensores de temperatura. SOLUÇÃO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO Como já dito, com relação a vazão, foi utilizado um tubo de Pitot e uma tomada de pressão estática. O manômetro utilizado foi um inclinado, graduado em milímetros de coluna d água (mmca), disponibilizado pela organização. Sistema parecido com o da Figura 5. Figura 5: Diagrama esquemático da medição de velocidade com o tubo de Pitot. Fonte: Google Images. 11

12 Em função do projeto de uma placa de orifício que não alcançou êxito, foi demasiado encurtado o período de testes em tempo real, inviabilizando a calibração do Pitot contra a placa de orifício de referência, disponibilizada pela organização. Buscando a execução das boas práticas, foi executada a ponderação da velocidade média no cálculo da vazão, com vistas a melhor detectar as linhas de corrente do perfil do escoamento. A fim de se melhor aproveitar o tempo na bancada de testes, foi desenvolvida uma rotina em LabVIEW para que se acompanha-se a evolução das temperaturas ao longo do ensaio. Ainda implementou-se um script que avaliava as vazões volumétrica e mássica através da entrada de dados pelo teclado: dos pesos das velocidades e das leituras de diferença de pressão, em mmca. De posse da vazão e das temperaturas, era possível, por fim, avaliar a taxa de energia transferida para o escoamento. Na Figura 6 segue a imagem do painel frontal da aplicação. No apêndice C segue o diagrama de blocos do algoritmo. Figura 6: Painel frontal da aplicação de monitoramento dos ensaios. RESULTADOS ENSAIO PRELIMINAR 12 O ensaio preliminar das soluções acopladas na bancada transcorreu no dia três de junho de 2014, entre as 17 e as 19 h, no LETA. Segue na Figura 7 uma fotografia do coletor proposto acoplado

13 à bancada de testes. Foi acompanhado o comportamento transiente com o ventilador desligado, que durou, aproximadamente, 19 minutos. As tomadas de temperatura entre a descarga e a admissão apresentaram 14 C de diferença. Figura 7: Fotografia da bancada de testes, no dia do ensaio preliminar. Vista do duto de saída. É possível observar a placa de orifício no duto de admissão. Acionando-se o ventilador, gradativamente, acompanhava-se a sensibilidade dos manômetros na placa de orifício projetada, a qual não apresentou variação. Nem na admissão e nem na descarga da linha de testes. Condenou-se assim o instrumento e assumiu-se uma solução alternativa por tubo de Pitot e ponderação das velocidades ao longo do raio. Segue na Figura 8 uma fotografia dos utensílios do Pitot. 13

14 Figura 8: Tubo de PVC de 100mm de diâmetro e sonda de tubo de cobre de 4 mm de diâmetro interno. A tomada de estática dar-se-á com uma mangueira de silicone. ENSAIO FINAL Esta parte do relatório visa disponibilizar um espaço para as anotações do ensaio final, através das leituras feitas na aplicação de monitoramento. Com relação a temperatura: Temperatura de admissão, TE: 23,7 C; temperatura de descarga, TS: 39,58 C; Delta T: 15,8 K. Com relação a vazão: vazão volumétrica: 0,139 m³/s; vazão mássica: 0,152 kg/s e vazão mássica final: 546,84 kg/hr. Por fim, a estimativa da taxa de energia transferida do coletor solar protótipo para a corrente de ar, está estimada em 2348 Watts. CONCLUSÃO Comparando-se os resultados dos instrumentos desenvolvidos contra os de referência pôde-se validar, com tranquilidade, o uso dos termopares calibrados nas leituras de temperatura. Foi observada discrepância na segunda casa decimal. Por outro lado, a medição de vazão divergiu em, aproximadamente, cinco vezes a da vazão de referência (por volta dos 35,98 gramas por segundo). O que, consequentemente, fez com que a taxa de energia transferida também divergisse fortemente da de referência (o qual transferiu 620 W). Contra esta, observou-se que o protótipo reduziu o desempenho em 11,8 %, transferindo 545 W. 14

15 Ao longo do projeto e dimensionamento das soluções foi possível perceber a dificuldade inerente em se definir uma geometria que promovesse baixa perda de carga, por se tratar de um escoamento a baixa velocidade, por volta de 1,5 m/s. Nessas condições foi muito estreito o espectro de soluções que apresentasse um compromisso razoável entre tempo de residência, turbulência dentro do coletor e taxa de transferência de energia. Ao lançar mão de uma medição de vazão pouco invasiva, como um tubo de Pitot, poder-se-ia implementar alguma espécie de chicana, a qual eliminasse a possibilidade de alguma linha de corrente preferencial que atravessasse o coletor, sem colisão com a placa absorvedora. Também poderiam ser exploradas superfícies seletivas no vidro que selava o topo do coletor. De tal sorte a explorar melhor a radiação disponível para troca térmica e o efeito estufa do protótipo. Como a radiação do experimento era proveniente de lâmpadas incandescentes, foi optado por deixar esse quesito inexplorado, pois não obteríamos considerável melhoramento das variáveis medidas já que a radiação destas lâmpadas é consideravelmente diferente da que será absorvida durante a vida útil do protótipo, que é a radiação solar. Por fim, cabe ressaltar a importância deste projeto, pois ao percorrer as etapas chave de desenvolvimento do protótipo do coletor solar, foi possível desenvolver habilidades de seleção e dimensionamento de materiais, modelagem dos fenômenos que dominavam o ensaio e da boa prática ao se redigir relatórios técnicos. REFERÊNCIAS DUFFIE. A. J., BECKMAN. A. W., Solar Engineering of Thermal Processes, Third Edition, John Wiley and Sons, Inc, SCHNEIDER, P. S., 2011, Medição de Pressão em fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site SCHNEIDER, P. S., 2011, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site 15

16 APÊNDICE A Vista isométrica do coletor solar proposto: Vista frontal do coletor proposto: 16

17 Temperatura do Tipo J2 APÊNDICE B Tabela com os dados da calibração dos termopares: PONTO R-PT100 T-PT100 J1 DeltaJ1 J2 DeltaJ2 J3 DeltaJ3 J4 DeltaJ4 J5 DeltaJ ,036 66,33 66,59-0,26 66,65-0,32 66,63-0,3 66,45-0,12 66,6-0, ,643 60,31 60,28 0,03 60,32-0,01 60,26 0,05 60,25 0,06 60,25 0, ,492 54,83 54,82 0,01 54,85-0,02 54,78 0,05 54,81 0,02 54,883-0, ,683 50,21 50,24-0,03 50,27-0,06 50,14 0,07 50,2 0,01 50,28-0, ,167 43,79 43,61 0,18 43,61 0,18 43,49 0,3 43,57 0,22 43,65 0, ,821 37,8 37,49 0,31 37,52 0,28 37,45 0,35 37,42 0,38 37,5 0, ,02 30,67 30,06 0,61 30,12 0,55 30,03 0,64 30,03 0,64 30,11 0,56 Tabela 1: relação dos dados do ensaio de calibração dos termopares contra um PT100 Curva de temperatura do termopar J2: J J2 Lin y = 1,0211x - 1,1221 R² = Temperatura do PT100 Curva de temperatura do termopar J3: 17

18 Temperatura do Tipo J J3 J3 y = 1,0227x - 1,2818 R² = Temperatura do PT100 18

19 APÊNDICE C Diagrama de blocos da rotina de monitoramento em LabVIEW: 19