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 COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR Arthur do Canto Pivetta Marcus Vinícius de Negri Juchem Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014.

2 RESUMO Este trabalho apresenta a construção de um protótipo de coletor solar com a finalidade de aquecer o ar ambiente do laboratório no qual o seu desempenho é avaliado. A avaliação é realizada em uma bancada experimental. A direção do escoamento de ar no interior do coletor é perpendicular ao da gravidade, forçado por um ventilador. O coletor tem dimensões internas préestabelecidas de 1m de comprimento, 0,3m de largura e 0,15m de altura. Sua estrutura é de madeira e na parte superior há uma chapa de vidro que visa permitir a máxima entrada de radiação solar e impedir que uma parcela da radiação refletida deixe o coletor, gerando assim o efeito estufa. A radiação, ao entrar em contato com várias camadas de tela metálica e com as paredes no interior do coletor solar, transfere calor para as mesmas, que então é transferido por convecção para o ar. Com o objetivo de que a radiação seja absorvida da melhor maneira possível, a parte interna da estrutura de madeira e as camadas de tela metálica foram pintadas com tinta preta fosca. A escolha da cor preta e fosca se deve ao fato de que esta tem melhor absorção e menor reflexividade. Foi obtida uma diferença de temperatura de 16,7 C, uma vazão mássica de 0,03634kg/s e uma taxa de transferência de calor de 611W. Palavras-chave: Coletor solar, Aquecimento do ar, Radiação solar, Absorção, Convecção.

3 ABSTRACT This work presents the construction of a prototype of solar collector with the finality of heating the ambient air in the laboratory where its performance is evaluated. The evaluation will be done on an experimental bench. The direction of the air flow in the collector will be perpendicular to the gravity, forced by a ventilator. The collector has internal pre-established dimensions of 1m of length, 0,3m of width and 0,15m of height. Its structure is made of wood, and in its upper part there is a glass panel that aims to allow the maximum entry of solar radiation and to prevent that a part of the reflected radiation leaves the solar collector, generating this way the greenhouse effect. The radiation, when it comes into contact with many layers of metallic fence and with the internal walls of the solar collector, transfers heat to them, which is then transferred through convection to the air. Aiming for the radiation to be absorbed in the best way possible the internal part of the wooden structure and the layers of fence where painted with matted black paint. The choice of matted black color is due to the fact that it has the best absorption and the less reflexivity. It was obtained a temperature difference of 16,7ºC, a mass flow of 0,03634kg/s and a rate of heat transfer 611W. Keywords: Solar collector, Air Heating, Solar Radiation, Absorption, Convection.

4 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5 3 FUNDAMENTAÇÃO 5 4 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 6 5 RESULTADOS 8 6 CONCLUSÃO 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 9

5 5 1 INTRODUÇÃO Coletor solar é um equipamento que tem por finalidade captar a radiação solar e transformá-la em calor, que será transferido a um fluido de trabalho. Sendo um equipamento que utiliza energia solar, e sendo a utilização de energias renováveis, energia solar sendo uma delas, um tema muito importante na atualidade, este se torna também um tema de interesse. É, portanto, útil, para a sociedade, que se desenvolvam coletores solares mais eficientes, com baixos custos de produção. O presente trabalho tem por objetivo a construção de um coletor solar que utiliza ar como fluido de trabalho para ensaio em laboratório onde deverá apresentar um desempenho melhor do que o coletor solar padrão. Este desempenho será medido em três parâmetros: diferença de temperatura entre entrada e saída, vazão mássica e taxa de transferência de calor. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Bueno (2013) descreve a construção de um coletor solar com exterior de madeira, interior feito com latas de alumínio em colunas com cada lata ligada por silicone resistente a altas temperaturas e uma entrada para radiação de plexiglass. Bueno apresenta um resultado satisfatório para manter um ambiente relativamente pequeno a uma temperatura agradável durante o inverno. A Figura 1 a seguir apresenta partes do processo de montagem do coletor solar descrito. Figura 1: Coletor solar descrito por Bueno (2013) Karim et al. (2014) desenvolveu um modelo matemático para coletores solares de ar com escoamento duplo e contrário com vincos em V. A simulação foi verificada com outras três pesquisas realizadas e foi comprovado que a simulação pode prever adequadamente o comportamento de um coletor solar do tipo analisado. Karim et al. (2014) também realizou um estudo paramétrico e descobriu que a radiação solar, temperatura do ar de entrada, vazão do escoamento e comprimento do coletor tem um efeito significativo na eficiência do coletor. Missirlis et al. (2014) utilizou um modelo CFD já validado para a investigação de diferentes configurações de coletores solares de materiais poliméricos, para casos variados de temperatura de entrada, com a investigação de três casos com diferentes posicionamentos dos dutos de entrada e saída do fluido. O trabalho de Missirlis et al. (2014) visou aumentar a uniformidade do campo de escoamento, bem como da distribuição de temperatura e, assim, obter uma maior eficiência térmica. 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Coletor Solar Um coletor solar é um tipo de trocador de calor que utiliza a energia radiante oriunda do sol e a transforma em calor no interior do mesmo. Genericamente ele é composto por uma caixa que serve como sua estrutura, uma superfície transparente à radiação solar, uma superfície absorve-

6 6 dora (normalmente da cor preta) que irá transferir esta energia ao fluido de trabalho, e um isolante térmico para evitar as perdas por condução. A Figura 2 a seguir mostra esquematicamente o funcionamento de um coletor solar com o ar ambiente entrando no lado esquerdo do coletor e depois de aquecido no seu interior, ele sai pelo lado direito. Figura 2: Coletor solar genérico (Adaptado de Solar Panels, 2012). 3.2 Eficiência/Rendimento Uma das principais questões a ser resolvida no projeto de um coletor solar é como se obter um alto valor de variação de temperatura sem ao mesmo tempo perder em vazão. Podemos imaginar, por exemplo, a construção de um tipo de labirinto dentro do coletor que fizesse com que o ar ficasse lá por mais tempo e em contato com mais superfícies que lhe cederiam mais calor e assim a temperatura de saída seria elevada, em contrapartida a vazão seria diminuída. Ou seja, o grande objetivo é, na verdade, maximizar a energia em forma de calor sensível sendo levada pelo ar, através de um equilíbrio entre diferença de temperatura e vazão mássica. 4 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS A montagem da estrutura do coletor solar iniciou-se com o corte das chapas de madeira com auxílio de uma trena e uma serra fita. Figura 3: Chapas utilizadas na montagem do coletor solar

7 7 As chapas foram montadas com o cuidado de se deixar um pequeno vão entre elas tanto na parte inferior como nas laterais para que haja ar estagnado ali dentro e assim haja uma menor perda de calor por condução, já que o ar estagnado é um bom isolante térmico. Figura 4: Detalhe do vão entre chapas O próximo passo foi a fixação das chapas que foi feita por meio da colocação de parafusos para garantir a rigidez necessária da estrutura. Com a estrutura pronta, toda a parte interna da mesma foi pintada com tinta preta fosca. Ainda no interior do coletor solar, foram adicionadas em três alturas diferentes, camadas de tela metálica, onde cada uma dessas camadas é o resultado do dobramento de uma tela maior. A tela também foi pintada com tinta preta fosca e foi colocada com o objetivo de aumentar a área de contato com a radiação solar e ao mesmo tempo não impor muita perda de carga ao sistema. Figura 5: Camadas de tela metálica Por fim, foi colocada uma chapa de vidro de 3mm na parte superior do coletor solar. O vidro tem por finalidade permitir que a radiação entre em contato com o interior do coletor solar e que uma parcela da radiação emitida e refletida pelo interior do coletor seja mantida no interior por reflexão.

8 8 5 RESULTADOS Os resultados obtidos neste trabalho são basicamente três, a variação de temperatura do ar entre a entrada e a saída do coletor, a vazão mássica de ar e um terceiro que é na verdade uma combinação destes dois primeiros. A medição de temperatura foi feita utilizando um sensor PT100 conectado a um multímetro e indicou uma variação entre a entrada e a saída de aproximadamente 16,7 C. Já a vazão mássica, foi medida com o auxílio de um tubo de pitot conectado a um manômetro e teve como resultado o valor de 0,03634kg/s. O terceiro resultado avalia a taxa de transferência de calor do coletor para o ar, através da diferença de temperatura e da vazão e é relacionado pela seguinte equação: (1) onde é o calor transferido ao ar que resultou em 611W, é a vazão mássica em kg/s, cp é o calor específico a pressão constante e é igual a 1,0048kJ/(kg C), e Ts e Te são respectivamente a temperatura em C do ar que sai e do ar que entra no coletor. 6 CONCLUSÃO Tinha-se como objetivo neste trabalho a obtenção de valores elevados para diferença de temperatura entre entrada e saída, vazão mássica e taxa de transferência de calor. Foi obtida uma diferença de temperatura de 16,7ºC, vazão de 0,03634kg/s e taxa de transferência de calor de 611W. Para próximos trabalhos seria interessante a construção de um coletor solar com fácil acesso para alterações internas, para que se pudesse observar com menor variação de parâmetros o efeito que se obtém ao realizar alterações como, por exemplo, diferentes tintas utilizadas para pintura das paredes internas do coletor, ou diferentes obstáculos no interior do coletor solar. Tal coletor solar permitiria a obtenção experimental de um equilíbrio razoável entre vazão mássica e diferença de temperatura para as condições de teste feitas neste trabalho. Outra sugestão seria observar a variação de eficiência de acordo com a variação de radiação recebida com o coletor, que permitiria uma otimização para coletores em diferentes condições climáticas, assim como a obtenção de um modelo adequado para uma grande faixa de condições climáticas. Pode-se ainda variar as condições de teste em laboratório, como, por exemplo, utilizar o coletor em diferentes posições inclinadas com algum equipamento simulando vento no sentido contrário àquele que se deseja que o coletor realize deslocamento de ar, permitindo analisar o potencial para convecção natural de cada coletor e qual a combinação de velocidade do vento e nível de radiação solar para que o coletor se torne incapaz de realizar sua função.

9 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BUENO, M., Aquecedor solar feito de latas de alumínio, Eficiência Energética UCPEL. Disponível em: Acesso em: 07/05/2014. KARIM et al., Mathematical modelling of counter flow v-grove solar air collector, Renewable Energy, Oxford, GB, vol. 67, pp MISSIRLIS et al., Investigation of the heat transfer behavior of a polymer solar collector for different manifold configurations, Renewable Energy, Oxford, GB, vol. 68, pp SOLAR Panels Make it Solar. Disponível em: Acesso em: 04/07/2014.