UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ARMAZENADOR TERMICO DE ALTA TAXA DE TRANSFERENCIA DE CALOR por Douglas Laufer Schmidt Flávio Luçardo Duarte Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider e Letícia Jenisch Rodrigues pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2014

2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 TRANSFERENCIA DE CALOR CONVECTIVO 3.2 MEDIÇÃO DE VAZÃO TUBO DE PITOT PLACA DE ORIFÍCIO 3.3 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 3.4 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO 4 METODOLOGIA 5 CALIBRAÇÃO 6 RESULTADOS 7 CONCLUSÕES 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Protótipos propostos. Figura 2 - Dimensões do acumulador Figura 3 - Esquema de montagem da bancada para o ensaio Figura 4 - Experimento montado na bancada Figura 5 - Medidor de vazão construído para o ensaio Figura 6 - Termistor NTC 10 KΩ. Figura 7 - ECU Pro Tune PR440 Figura 8 - Curvas de calibração sensores e turbina com curva de ajuste polinomial de 5 grau. Figura 9 Curvas das medições observadas em tempo real LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS A: Área [m²] h: Coeficiente de transferencia de calor convectivo [W/m².k] m: Massa [kg] ṁ : Vazão mássica [kg/s] P: Pressão [Pa] T: Temperatura [ºC] U: Tensão [V] v: Velocidade [m/s] V: Volume [m³] : Vazão volumétrica [m³/s] ρ: Massa específica [kg/m³]

4 RESUMO O presente trabalho tem por finalidade elaborar um elemento acumulador de resina poliéster cristal que deverá ser concebido e fabricado com a finalidade de estocar energia térmica oriunda de uma corrente de ar quente. A partir da medição de vazão volumétrica e mássica, com um medidor tipo turbina e da temperatura, com auxílio de um termistor do tipo NTC, é possível verificar que o acumulador projetado obteve uma constante de tempo de 475s, quando submetido a uma vazão mássica de ar de 0,02749kg/s a uma temperatura de 68,2 C. Pelos resultados obtidos, podemos verificar que o uso de um acumulador no formato de placa com aletas em ambos os lados levou a uma constate de tempo baixa com uma pequena perda de carga devido a sua elevada área quando comparado com diferentes geometrias propostas. PALAVRAS-CHAVES: acumulador, resina poliéster cristal, placa com aletas, constante de tempo.

5 ABSTRACT This paper have the purpose to develop a crystal polyester resin accumulator element to be designed and manufactured for the purpose of storing thermal energy from a hot air stream. From the measurement of volumetric and mass flow, with a turbine meter, and the temperature, with the aid of a NTC thermistor, you can check the accumulator designed obtained 475s for time constant, when this is subjected to a mass flow of 0,02749kg/s and a temperature of 68,2 C. From the results obtained, we can verify that the use of an accumulator in the form of a plate with fins on both sides led us to a low time constant and a small pressure loss compared to proposed different forms. KEYWORDS: accumulator, crystal polyester resin, plate with fins, time constant.

6 1. INTRODUÇÃO Na atualidade há uma constante busca por sistemas de grande eficiência afim de promover o máximo aproveitamento da energia que temos disponível, na área de fenômenos de transporte não é diferente. Visando obter altos coeficientes de transferência de calor inúmeras geometrias são testadas diariamente pela indústria, em contrapartida alguns requisitos mínimos devem ser cumpridos. Para um trocador de calor convectivo, por exemplo, deve-se aumentar a área de contato trocador/fluido para obter o maior fluxo térmico possível, porem a perda de carga no escoamento que resulta da introdução deste trocador deve ser levada em consideração, a fim de manter o escoamento sem a necessidade de um grande trabalho de bombeio. O trabalho foi proposto com o objetivo de aplicar os conhecimentos adquiridos na disciplina de medições térmicas para a construção de um protótipo de acumulador térmico que terá como mecanismo de troca térmica dominante a convecção forçada e deverá ter a menor constante de tempo possível, assim como não resultar em uma perda de carga demasiadamente grande para o escoamento. Este trocador será avaliado em uma bancada de testes no laboratório da faculdade e os alunos deverão desenvolver também a instrumentação de avaliação do protótipo que será comparada com a instrumentação do laboratório. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A escolha da geometria do protótipo foi guiada pelo principal mecanismo de transferência de calor envolvido neste caso, a convecção forçada. O método mais utilizado para aumentar a transferência de calor convectiva é o uso de superfícies entendidas, conhecidas como aletas. Aletas ou superfícies estendidas tem por finalidade aumentar a troca de calor de um corpo com a sua vizinhança, através de um aumento na sua área de troca. [KRAHE, 2005]. O uso de trocadores de calor de alta eficiência é muito difundido, trocadores de calor por convecção chamados dissipadores são utilizados na indústria de eletrônica para manter a temperatura de operação de um sistema com geração de calor dentro da faixa especificada. O dissipador consiste, normalmente, de uma ou mais superfícies planas e uma arranjo de aletas para aumentar a área de contato com o fluido, aumentado, dessa forma, a taxa de dissipação de calor. Uma combinação de dissipador de calor e um ventilador é largamente utilizada. [REIS, 2013]. Esta ultima configuração citada ilustra o caso de convecção forçada que mais se assemelha a proposta do trabalho em questão. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Um acumulador de calor de baixo tempo de resposta necessita ser um bom trocador de calor, para isso a metodologia empregada no desenvolvimento do protótipo buscou obter a máxima transferência de calor convectiva. 3.1 TRANSFERENCIA DE CALOR CONVECTIVA A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos(líquidos e gases). O equacionamento da transferência de calor convectiva se dá da seguinte forma: (1) Onde: Q = taxa de transferência de calor; h = coeficiente de transferência de calor convectiva (dependente do fluido, e condições do escoamento e material do trocador);

7 A = área de contato fluido/trocador; T = diferença de temperatura entre o fluido e a superfície do trocador. A convecção forçada em relação a convecção natural eleva o coeficiente de transferência de calor em uma ordem de grandeza [Incropera, 2008], oque representa um aumento de mesma grandeza na transferência de calor. A transferência de calor aumenta linearmente com a área de contato fluido/trocador, e também com a diferença de temperatura entre estas. 3.2 MEDIÇÃO DE VAZÃO TUBO DE PITOT Existem diversas maneiras de medir vazão volumétrica. Dentre as mais simples está a utilização de um tubo de Pitot. Seu princípio é baseado através da medição por pressão diferencial, onde um elemento provoca uma diferença de pressão e através dessa variação é possível medir a vazão, normalmente são utilizados manômetros de coluna de fluido ou transdutores de pressão. Portanto, é necessário ter duas pressões bem definidas e comparáveis. A primeira fonte de pressão é a pressão de estagnação e a segunda tomada de pressão é de pressão estática, que é a pressão atuante nas paredes do tubo. A diferença de pressão é conhecida como pressão dinâmica [SHNEIDER, 2012]. A velocidade do escoamento pode ser deduzida a partir da equação de Bernoulli aplicada ao problema, resultando em: (2) Com: v = velocidade do escoamento; Po = pressão de estagnação; P = pressão estática; ρ esc = massa específica do fluido. Uma vez conhecida a velocidade do escoamento e conhecendo a área de seção transversal pode-se calcular a vazão volumétrica através da equação 3. Utilizando agora a massa específica do fluido de trabalho, calculada para as condições do escoamento podemos obter a vazão mássica, segundo a equação 4. (4) PLACA DE ORIFÍCIO As placas de orifício são dispositivos de baixo custo de instalação e manutenção. Sua grande desvantagem reside na perda de carga que impõe ao escoamento (intrusão importante), em função da expansão a jusante da placa. A incerteza de medição desse dispositivo se situa em cerca de 2 a 4% do fundo de escala [SHNEIDER, 2012]. A configuração mais comum é construída com um orifício concêntrico montado entre flanges, que interrompe uma canalização ou canal fechado. A montagem da placa de orifício requer um comprimento de tubo reto a montante do dispositivo de cerca de 10 a 30 diâmetros para garantir o desenvolvimento completo da camada limite cinética. Já a colocação das tomadas de pressão diferencial não seguem uma única padronização, e são escolhidas conforme a necessidade da instalação [SHNEIDER, 2012]. Na tubulação de entrada do sistema foi instalada uma placa de orifício para determinação da vazão volumétrica de entrada e posterior determinação da perda de carga do sistema. A Equação 5 da a vazão volumétrica da placa de orifício. (3)

8 (5) 3.3 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Para aplicações simples a medição de temperatura pode ser feita através de um sensor de temperatura (termistor) NTC onde a temperatura altera as propriedades de resistência elétrica de um elemento condutor. Após conhecer a curva que expressa a variação de resistência com a temperatura, basta um sistema de medição de resistência elétrica para se conhecer a temperatura em que se encontra o sensor. Na indústria o uso de termistores para sensoriamento é bastante difundido. Nos termistores NTC a resistência é inversamente proporcional a temperatura. 3.4 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO A incerteza define um intervalo em torno do resultado de medição no qual se espera abranger grande parte dos resultados encontrados. Geralmente, o nível de confiabilidade utilizado é de 95.45% [SHNEIDER, 2012]. Alguns dados dependem dos resultados experimentais, e geram assim, uma incerteza combinada, onde os resultados calculados geram uma incerteza devido à incerteza do valor medido. O procedimento para medir a incerteza de medição é chamado de Propagação da Incerteza de Medição, dado pela Equação 6: Sendo: xi = variáveis dependentes; ui = desvios padrão das variáveis dependentes; V = equação para chegar ao dado esperado. 4. METODOLOGIA Para avaliar qual seria a geometria escolhida partiu-se da hipótese que as alterações no coeficiente de transferência de calor convectivo seriam desconsideráveis para as geometrias comparadas e avaliou-se então a área em contato com o fluido. Levando-se em consideração a massa especifica da resina poliéster cristas de aproximadamente 1150Kg/m³ e a restrição de massa do edital de 1000g temos um volume aproximado de mm³ ou 870ml. Foram propostos 3 modelos: Uma placa de 300mm por 400mm com altura de 7,31mm. Uma placa de 300mm por 300mm com 7 aletas de 60mm de altura sendo ambas, placa e aletas, de 4mm de espessura. E todas as aletas no mesmo lado da placa, estando esta em repouso sobre a superfície da seção de ensaio. Uma placa de 300mm por 300mm com 7 aletas de 60mm de altura sendo ambas, placa e aletas, de 4mm de espessura. Sendo 3 aletas na superfície inferior da placa e 4 na superfície superior, suspendendo assim a placa central e colocando suas duas superfícies em contato com o fluido de trabalho. Protótipos propostos e suas geometrias com suas respectivas áreas superficiais em contato com o fluido de trabalho expostos na Figura 1. (6)

9 Figura 1: Protótipo propostos. Devido a sua maior area de contato com a superfície de trabalho o terceiro protótipo foi escolhido. Não foi utilizado nenhum tipo de revestimento, obedecendo ao edital, como mostra a Figura 2. Figura 2 Dimensões do acumulador O ar ambiente entra na bancada de ensaios com vazão massica controlada por um ventilador, passando primeiramente um termômetro e por uma placa de orifício juntamente a um manômetro de tubo inclinado, instrumentação do laboratório. O ar passa então por um medidor de vazão massica do tipo turbina com correção da massa especifica via temperatura e pressão, construído pelos alunos, Em seguida um aquecedor eleva a temperatura do ar para cerca de 70 C. A seguir, são lidas temperatura e a pressão estática com instrumentos do laboratótio. O ar aquecido passa para a seção de ensaio, onde entra em contato com o acumulador. Após, é feita nova leitura da pressão estática e da temperatura com instrumentação do laboratório. Por fim, é feita a medida de temperatura pela instrumentação montado pelos alunos com um termistor do tipo NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo). A Figura 3 ilustra o experimento.

10 Figura 3 Esquema de montagem da bancada para o ensaio (Fonte: Edital de trabalho da disciplina de medições térmicas. Edição ) O acumulador baseia-se na construção de um trocador de calor no formato de placa com aletas, a fim de produzir uma rápida troca térmica sem que haja uma grande perda de carga. As aletas aumentam a área de contato entre a superfície do acumulador e o fluído, e estas estando paralelas ao escoamento diminuem a seção transveral do acumulador diminuindo as perdas de carga por gradiente de pressão, fazendo com que a parcela mais significativa da perda de carga se deva a parcela referente ao arrasto viscoso. Um dos motivos para possuir aletas na área inferior do acumulador é que dessa maneira a area superficial em contato com o fluido é maior. A Figura 4 mostra o experimento montado na bancada, onde foram coletados os dados para posterior análise.

11 Figura 4 Experimento montado na bancada Para a medição de vazão foi construído um medidor do tipo turbina, o qual gera uma tensão de saída através do motor DC acoplado ao rotor, como mostra a Figura 5. Este tipo de medidor foi escolhido devido a possibilidade de fazer medições de pequenas vazões e pela saída de tensão que facilita a instrumentação com um sistema de aquisição de dados. Figura 5 Medidor de Vazão construido para o ensaio Para determinação da massa especifica do escoamento foram utilizados um sensor de temperatura (Termistor NTC 10KΩ@25 C) e uma medição de pressão estática através de uma tomada de pressão tangente a parede do duto e um transdutor piezoelétrico de pressão.o uso deste termistor justifica-se por causar pouca perda de carga do escoamento e possuir baixa inércia térmica. Este tipo de medidor pode ser visto na Figura 6.

12 Figura 6 Termistor NTC 10 KΩ. Para determinação das características do acumulador foram instalados os instrumentos na bancada sem o acumulador na seção de ensaio e com o aquecedor ligado, após a estabilização foi aberta a porta de acesso à seção de ensaio e inserido o protótipo dentro de um tempo de 5 segundos. Com a instrumentação verificou-se a curva de temperatura em função do tempo. 5. CALIBRAÇÃO Para a aquisição de dados foi utilizada uma central de gerenciamento de motores de combustão interna Pro Tune PR440, pela disponibilidade, facilidade de configuração e análise de dados, semelhante ao apresentado pela Figura 7. Figura 7 ECU Pro Tune PR440 Uma vez montados os instrumentos na bancada seus resultados foram comparados com os medidos pela instrumentação do laboratório (instrumentação de referência). Foram então levantadas as curvas de calibração dos sensores NTC e de vazão volumétrica x temperatura do medidor tipo turbina. Cada termistor NTC teve sua curva verificada com a montagem de instrumentação toda feita conforme seria no

13 experimento, desta forma são compensados efeitos de resistência da fiação e possíveis diferenças de fabricação dos sensores. As curvas obtidas para cada sensor estão expressas abaixo na Figura 8, sendo que a curva dos termistores está expressa em tensão por temperatura, pois o sistema de aquisição de dados possui um pull-up interno com resistor de 2,7 KΩ quando ativo. Figura 8 Curvas de calibração sensores e turbina com curva de ajuste polinomial de 5 grau. Para correção da massa especifica do fluido de trabalho foi utilizada a Equação 7. Onde ρ esc é a massa especifica do fluido durante o escoamento, dada em kg/m³; P estática é a pressão estática em kpa; R ar é a constante universal dos gases a qual tem valor de 0,287 kj/kg*k; e T é a temperatura do ar em K. 6. RESULTADOS O protótipo apresentou uma constante de tempo de 475 segundos nas condições de ensaio de vazão mássica de 0,02749 ± 0, kg/s e com uma temperatura de estabilização de 62,8 C. No calculo do erro de medição foram utilizados : ±3% para o termistor NTC 10KΩ@25 C (datasheet). 0, m³/s para a turbina, oriundos de 0.12m/s da velocidade do fluido em um intervalo de confiança de 95% [RONCHI, et al, 2011] 0,1KPa para o transdutor de pressão (datasheet). A curva de temperatura por tempo, juntamente com a medição de vazão volumétrica estão expressas na figura 8. (7)

14 Figura 9 Curvas das medições observadas em tempo real. 7. CONCLUSÕES Através do presente trabalho provou-se ser possível a construção de um acumulador térmico em resina poliéster cristal com superfícies estendidas. Além de com um custo muito baixo fazer a instrumentação de medição de vazão mássica e de temperatura. Através das medições de pressão estática no escoamento provou-se que, não executar a medição de pressão estática no escoamento, para a compensação da massa específica, nos parâmetros aqui utilizados e com o medidor aqui utilizado, não incorre em um erro significante. Dado que a diferença da pressão atmosférica para a pressão estática a montante do medidor tipo turbina foi de 0,2KPa. O desenvolvimento de um protótipo focado em um trabalho prático, motiva o estudante a desenvolver uma metodologia de projeto, apresenta desafios técnicos e aproxima a vivência acadêmica da realidade industrial. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS REIS, F. G.,2013; Análise de dissipadores térmicos para componentes eletrônicos de alta potencia em um equipamento embarcado em aeronave. KRAHE, R., 2005; Análise numérica de uma torre de resfriamento de grande porte. 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. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site

15 SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site RONCHI, et al., 2011; Medidor de vazão mássica para gases tipo turbina.