ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM ACUMULADOR DE CALOR E SUA INSTRUMENTAÇÃO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM ACUMULADOR DE CALOR E SUA INSTRUMENTAÇÃO por EDUARDO ALVES AMADO ELIZEU VICENTE POSSAMAI Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider e Letícia Jenisch Rodrigues PORTO ALEGRE 2014

2 EDUARDO ALVES AMADO ELIZEU VICENTE POSSAMAI ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM ACUMULADOR DE CALOR E SUA INSTRUMENTAÇÃO Trabalho apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da universidade Federal do Rio Grande Do Sul, como parte dos Requisitos para conclusão da disciplina Medições Térmicos. Orientadores: Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre

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4 AMADO, E.A., POSSAMAI, E.V. Estudo Experimental de Um Acumulador de Calor e Sua Instrumentação. Trabalho de conclusão da disciplina de Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Este texto pretende realizar um estudo experimental sobre o processo de armazenamento de calor com foco em sua instrumentação. O acumulador de calor é formado por aproximadamente um quilograma de resina cristal. Ao todo são 15 pequenos cilindros distribuídos de forma a não causar grande perda de carga no escoamento e realizar uma transferência de calor o mais uniforme possível. Para isso a maior quantidade de cilindros foi colocada na região final de passagem do ar (meio quente). O armazenador de calor será mantido resfriado à uma temperatura de aproximadamente 0 ºC e então rapidamente colocado em contato com o ar aquecido que deve estar entrando na caixa de testes à aproximadamente 70 ºC. Neste procedimento são realizadas duas tomadas de temperatura, uma antes do aquecimento do ar e outra após a transferência de calor do ar para o protótipo armazenador de calor. Os instrumentos de medição de temperatura utilizados são dois termistores NTCs, devidamente calibrados. Além disso, há uma medição de vazão volumétrica que será realizada junto à primeira tomada de temperatura. Uma placa de orifício foi projetada e construída especialmente para este ensaio. Por fim, as incertezas de medição presentes no fenômeno serão estimadas. PALAVRAS-CHAVE: Acumulador de energia, medidor de temperatura, medidor de vazão. 3

5 AMADO, E.A., POSSAMAI, E.V. "Experimental Study of a Heat Accumulator and his Instrumentation". Work completion of the subject Thermal Measurements from the Mechanical Engineering graduation Mechanical Engineering department, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT This text intends to conduct an experimental study on the heat storage process with a focus on its instrumentation. The heat accumulator consists of approximately one kilogram of crystal resin. Altogether there are 15 small cylinders distributed, so this not cause large pressure drop in the flow and perform a heat transfer as uniform as possible. For this, the largest number of cylinders is placed in the end region of the air passage (heat portion). The heat accumulator will be kept cooled to a temperature of about 0 C and then quickly put in contact with the heated air that should be entering the test box to approximately 70 C. In this procedure are carried out two sockets temperature, before the heating of air and the other air after the heat transfer to the heat storer prototype. Temperature measurement instruments used are two thermistors NTCs, properly calibrated. In addition, there is a volumetric flow measurement to be held adjacent to the outlet temperature. An orifice plate was designed and built especially for this test. Finally, the measurement uncertainties present in the phenomenon will be estimated. KEYWORDS: Heat Accumulator, temperature sensor, flow measure. 4

6 SUMÁRIO RESUMO... 3 ABSTRACT... 4 ÍNDICE DE FIGURAS... 6 ÍNDICE DE TABELAS... 7 LISTA DE SÍMBOLOS INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA PROCESSO DE ARMAZENAMENTO TÉRMICO MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Por resistência elétrica Por termistor MEDIÇÃO DE VAZÃO Equacionamento Medição de pressão estática por manômetro Placa de Orifício PROPAGAÇÃO DE ERROS TÉCNICAS EXPERIMENTAIS MEDIÇÃO DE TEMPERATURA MEDIÇÃO DE VAZÃO ACUMULADORES DE ENERGIA RESULTADOS CURVAS DE UTILIZAÇÃO DOS NTCS MEDIDAS DE VAZÃO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

7 ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1: SECADOR SOLAR DA FAZENDA QUINTA DA ESTÂNCIA. [FONTE: SITE DA DISCIPLINA DE MEDIÇÕES... 9 FIGURA 2: PARTE INTERNA DA CÂMARA DE SECAGEM. PEDRAS SÃO USADAS COMO ACUMULADORES DE ENERGIA. [FONTE: SITE DA DISCIPLINA DE MEDIÇÕES TÉRMICAS]... 9 FIGURA 3: GRÁFICO RESISTÊNCIA POR TEMPERATURA DE UM TERMISTOR FIGURA 4: ESQUEMA DE UM MANÔMETRO EM U. [FONTE: FOX E MCDONALD, 2001]...15 FIGURA 5: PLACA DE ORIFÍCIO DO TIPO CONCÊNTRICO. [FONTE: DELMÉE, 1983]...16 FIGURA 6: RELAÇÃO ENTRE K, BETA E RE PARA PLACAS DE ORIFÍCIOS. [FONTE: FOX E MCDONALD, 2001]...17 FIGURA 7: SENSORES NTC APÓS MONTAGEM FIGURA 8: USINAGEM DA PLACA DE ORIFÍCIO E AO LADO LUVA DE PVC PARA O POSTERIOR ENCAIXE...19 FIGURA 9: PLACA DE ORIFÍCIO COM SUA MONTAGEM E VEDAÇÃO PRONTA...19 FIGURA 10: MOLDES COM O MATERIAL JÁ ENVASADO FIGURA 11: TUBOS DE RESINA POLIÉSTER JÁ SÓLIDOS, POSICIONADOS NO SUPORTE DE PAPELÃO FIGURA 12: CURVA DE UTILIZAÇÃO DO NTC FIGURA 13: CURVA DE UTILIZAÇÃO DO NTC

8 ÍNDICE DE TABELAS TABELA 1: DADOS OBTIDOS PELA CALIBRAÇÃO DO NTC TABELA 2: DADOS OBTIDOS PELA CALIBRAÇÃO DO NTC TABELA 3: DADOS COMPARATIVOS ENTRE DUAS MEDIDAS DE VAZÃO COM A PLACA DE ORIFÍCIO E CÁLCULO DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO

9 LISTA DE SÍMBOLOS v Velocidade [ m s] ρ Massa Específica [ kg m 3 ] Q Vazão [ m3 s] p Pressão [Pa] A Área [m²] g Constante Gravitacional [ m s] h Variação de Altura [mm] D Diâmetro [mm] Cd Coeficiente de descarga β Razão entre diâmetros K Coeficiente de Vazão Re Número de Reynolds 8

10 1. INTRODUÇÃO Para uma empresa obter sucesso no mercado é cada vez mais importante a otimização de recursos e processos durante a produção. Um fator que pode ser o diferencial no preço final de um produto é o consumo energético necessário na fabricação, manutenção e/ou transporte de suas mercadorias. Por isso, o uso de fontes alternativas de energia tem se tornado cada vez mais comum. A utilização da energia solar é uma alternativa muito interessante devido a sua disponibilidade, porém esbarra na dificuldade em seu armazenamento. Por isso é tão importante o estudo sobre os processos de armazenamento de calor. Como pós projeto, o conhecimento adquirido será utilizado na melhoria de um secador solar de frutas da fazendo da educação ambiental Quinta da Estância. A Figura 1 mostra o secador que é composto por um coletor solar térmico para aquecimento do ar exterior, uma câmara de secagem e uma chaminé para a exaustão do ar. Dentro da câmara de secagem os frutos são acomodados sobre grades, como mostra a Figura 2, e pedras são utilizadas como material acumulador de energia. Figura 1: Secador solar da fazenda Quinta da Estância. [Fonte: Site da disciplina de Medições Figura 2: Parte interna da câmara de secagem. Pedras são usadas como acumuladores de energia. [Fonte: Site da disciplina de Medições Térmicas] A ideia do armazenamento de calor nesse caso é atenuar a diferença de temperatura dentro da câmara de noite. Durante o dia parte do calor absorvido pelo coletor é transferido para a secagem das frutas, enquanto boa parte é acumulada nas pedras. Durante a noite, quando não há mais radiação solar as pedras tem a função de transferir calor para as frutas. Este texto propõe testar outro material acumulador (resina cristal) com diferente geometria e mensurar este processo construindo e montando as ferramentas necessárias para realizar a medição. O procedimento realizado é de caráter prático-experimental tendo seus ensaios realizados 9

11 no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) do Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). 10

12 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Em 2001 Fox e Mcdonald publicaram a quinta edição do livro Introdução à Mecânica dos Fluídos cujo conteúdo teórico serviu de base para o equacionamento do presente texto. O material é constantemente atualizado até os dias de hoje. Em 1986 Magalhães realizou um estudo teórico e experimental sobre armazenadores de calor sensível com formato cilíndrico cujo material testado nos acumuladores foi aço e concreto. Visto que procura-se a troca de calor sensível neste projeto, somente o material utilizado diverge do edital em questão, porém podem ser analisadas as técnicas e motivos do uso desta geometria. Em 2000 Schneider publicou apostilas sobre instrumentação na área da termometria, medidas de pressão e de vazão, aliando conhecimento teórico oriundo da mecânica dos fluídos com ferramentas práticas e suas aplicações para a realização de medições. O material foi constantemente atualizado tendo suas últimas revisões acontecendo nos anos de 2011 e

13 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1. Processo de armazenamento térmico Um processo de armazenamento térmico visa utilizar uma fonte de calor para aquecer e aumentar a energia de um material acumulador, este, por sua vez, deve ter a capacidade de mantêla e posteriormente reaproveitá-la. Segundo PANTUZI, 2006, um sistema de armazenamento é composto basicamente de três itens principais: material de armazenamento, o equipamento de transferência de calor e o reservatório térmico. Quanto ao material de armazenamento é possível classificá-lo de acordo com a faixa de temperatura na qual o acumulador está operando. Abaixo de 100 ºC tem-se o armazenamento de energia em baixa temperatura, de 100 ºC a 300 ºC tem-se o armazenamento de energia a temperatura média e, acima deste valor o armazenamento de energia em alta temperatura. Tratando-se de baixa temperaturas os materiais mais utilizados são água e pedras, por motivos de custo e disponibilidade. A função do equipamento de transferência de calor é o transporte de energia da fonte quente para o fluido de trabalho, essa transferência de calor da fonte para o material acumulador pode ser feita de duas formas: por meio de trocadores de calor (modo indireto) ou utilizando o próprio fluído de trabalho (modo direto) [PANTUZI, 2006]. Por último, o reservatório térmico tem como função separar o fluído de trabalho do meio ambiente, limitando de maneira efetiva as perdas de calor pelos contornos físicos. O sistema de armazenamento de calor ainda pode ser classificado de duas formas quanto ao tipo de energia armazenada: calor sensível ou calor latente. A capacidade térmica dos armazenadores de calor latente é muito maior do que a dos armazenadores de calor sensível, porém, segundo PANTUZI, 2006, estes últimos apresentam muitas vantagens que justificam o seu emprego, como a facilidade de operação e controle do sistema e baixo custo de seus equipamentos Medição de temperatura Por resistência elétrica Também são chamados de detectores de temperatura por resistência (RTD), pois são elementos que possuem resistência elétrica variável conforme a temperatura do meio ao qual estão submetidos. A leitura de temperatura nesses sensores necessita de uma curva de calibração. Com a curva de calibração em mãos, é possível transformar o valor de resistência lido nos sensores para um valor de temperatura correspondente. Schneider, 2012, define a sequência de calibração abaixo. 1 Montagem de um aparato físico capaz de produzir variações controladas de temperatura de um fluido, que será usado para a calibração de sensores. 2 - Colocação de um elemento sensor que apresenta variação de sua resistência elétrica com a temperatura do meio de calibração Tcalibração, ou seja R=f(Tcalibração) 3- O processo de calibração pode ser executado com o auxílio de pontos físicos ou pelo procedimento de comparação, onde um sensor de referência é usado como padrão. 4 No mais comum de calibração por comparação, monta-se uma tabela de correspondências de valores da variável dependente R em função da variável independente Tcalibração. 12

14 5- Identifica-se uma equação de ajuste desses dados levantados no processo de calibração, a partir da proposta de uma curva de ajuste e da identificação seus coeficientes. Após a calibração a lógica de utilização do sensor é a inversa. A resistência passa a ser a variável independente e a temperatura passa a ser a variável dependente, isto é, T = f(r). Os RTDs possuem um aumento linear e crescente da resistência em relação ao aumento de temperatura Por termistor Diferentemente dos RTDs, os termistores apresentam um comportamento não-linear e relação inversa entre resistência e temperatura. Como vantagem possuem um sinal bem maior do que os RTDs. O comportamento de um termistor pode ser visto na figura abaixo. Figura 3: Gráfico resistência por temperatura de um termistor. Percebe-se que o NTC apresenta boa sensibilidade para baixas temperaturas e um comportamento bastante não-linear Medição de vazão Equacionamento A equação de Bernoulli para uma linha de escoamento do fluído em regime permanente, desconsiderando as perdas pode ser escrita assim: p + ρ v2 2 + ρ g z = constante Eq. 1 13

15 Considerando um escoamento horizontal, a variação de altura, z, é praticamente zero, portanto o terceiro termo pode ser desprezado reduzindo a equação 1 para: p + ρ v2 2 = constante Eq. 2 Fox e Mcdonald, 2001, definem o primeiro termo da Equação 2, p, como pressão termodinâmica (ou estática) de um fluído. O segundo termo é, 1/2* ρ v 2 é definido como pressão dinâmica. Portanto, a equação de Bernoulli realiza um balanço de energia ao longo da linha de escoamento considerando trocas entre pressão estática e dinâmica. Como esta equação desconsidera as perdas pode-se igualar a soma das pressões de dois pontos em posições diferentes ao longo do comprimento de uma tubulação, desde que estejam sobre a mesma linha de escoamento. Ainda pode-se considerar o escoamento incompressível (ρ constante). p 1 + ρ v = p 2 + ρ v Eq. 3 A Equação de Conservação da Massa, ou Equação da Continuidade para duas seções ao longo do escoamento de fluídos incompressíveis em regime permanente é descrita por Fox e Mcdonald, 2001, como: ρ v 1 A 1 = ρ v 2 A 2 Eq. 4 v 1 A 1 = v 2 A 2 Eq. 5 Q 1 = Q 2 Combinando a equação 4,5 e 6 com a equação 3 é possível chegar a seguinte relação: Eq. 6 v 2 = 2 (p 1 p 2 ) ρ ( 1 A2 2 2) A 1 A Equação 7 é válida apenas para escoamento sem perdas. Schneider, 2011, apresenta uma forma para efetuar a correção dos problemas do atrito utilizando o coeficiente de descarga, Cd, e escrevendo a equação 7 em termos de vazão volumétrica. Sendo Cd definido por: Q 1 = Q 2 = Q = Cd A 1 2 (p 1 p 2 ) ρ ( 1 A2 2 2) A 1 Eq. 7 Eq. 8 14

16 Cd =. m real. m ideal = Q real Q ideal Medição de pressão estática por manômetro Manômetros são instrumentos simples que medem diferença de pressão entre dois pontos em um fluido incompressível estático através da medição da diferença de elevação entre esses pontos. Um manômetro de coluna líquida em forma de U é feito de um tubo de vidro em forma de U, aberto em ambos os lados e contendo um líquido (chamado líquido manométrico nesta aplicação). A pressão estática p do outro lado fará o líquido subir no tubo de uma altura h. Medindo-se h, obtém-se p através da fórmula. p = ρ g h A Figura 4 ilustra a montagem esquemática de um manômetro em U. Eq. 9 Eq. 10 Figura 4: Esquema de um manômetro em U. [Fonte: FOX E MCDONALD, 2001] O manômetro mede uma diferença de pressão, e não pressão absoluta (para isso existem os barômetros). Portanto, um manômetro montado da forma ilustrada pela Figura 4 estaria medindo a diferença de pressão estática do fluído presente na tubulação A em relação a pressão atmosférica (101,325 kpa em condições ideais). Esta pressão é chamada na literatura de pressão manômétrica Placa de Orifício A placa de orifício é um tipo de medidor de vazão por obstrução. Sua configuração mais comum é com um orifício concêntrico montado entre dois flanges para interromper a canalização. A figura 5 mostra um exemplo de uma placa de orifício. 15

17 Figura 5: Placa de orifício do tipo concêntrico. [Fonte: DELMÉE, 1983] A razão entre o diâmetro da tubulação e o diâmetro interno da placa de orifício é definido por Schneider, 2011, como Beta, onde: β = D D t Eq. 11 Onde D é o diâmetro da tubulação e Dt o diâmetro interno da placa de orifício. Este valor adimensional é característica de cada placa. Com isso a Equação U para uma placa de orifício pode ser escrita como: Q = Cd A t 2 (p 1 p 2 ) ρ (1 β 4 ) Eq. 12 Porém, em usos práticos evita-se utilizar a área interna da placa de orifício nos cálculos, é preferível deixar a equação em função da área da tubulação A. Além disso é possível definir o coeficiente de vazão, K, como produto do coeficiente de descarga, Cd, pelo fator de velocidade de aproximação E. E = 1 (1 β 4 ) Com estas definições a Equação 12 pode ser modificada para facilitar o seu uso prático. Q = K β 2 A 2 (p 1 p 2 ) ρ Fox e Mcdonald apresentam a relação entre Beta, K e Re (Número de Reynolds) na figura da figura a seguir: Eq. 13 Eq

18 Figura 6: Relação entre K, Beta e Re para placas de orifícios. [Fonte: FOX e MCDONALD, 2001] O gráfico da Figura 6 permite o dimensionamento da placa de orifício desde que se tenha noção da faixa de Reynolds que se deseja medir. O valor de Beta escolhido deve representar um K constante para a faixa de Reynolds que se deseja trabalhar. A placa de orifício tem como principal vantagem seu baixo custo de instalação e manutenção, porém representa uma grande perda de carga no escoamento. Segundo Schneider, 2011, a incerteza de medição deste instrumento situa-se entre 2 a 4% do fundo de escala Propagação de Erros Uma grandeza pode ser determinada a partir de uma equação que envolva grandezas medidas experimentalmente (e com incertezas conhecidas). Neste caso deseja-se calcular a incerteza propagada para a variável de interesse após o equacionamento. A propagação de incerteza de medição é um procedimento em que se estima a propagação do desvio padrão de uma grandeza Y a partir do desvio padrão de suas variáveis dependentes x1 até xn. A incerteza propagada Ur pode ser calculada pela equação de Kline McClitonck (HOLLMANN, 1996): U r = [( y 2 u x 1 ) + + ( y u 1 x n ) ] n Eq

19 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 4.1. Medição de Temperatura Material: 2(dois) sensores NTC; 2(dois) fios de extensão; 2(dois) trechos de tubo PVC 100mm de diâmetro; Estanho para solda; Tubo de isolante elétrico em pasta; Para tal função optou-se por sensores do tipo NTC, os mesmos possuem vantagem de seu baixo valor e ampla aplicação e como principal desvantagem seu comportamento não linear, o que leva a procurar o sensor que tenha um bom comportamento para a faixa de temperatura de operação dos ensaios. Procurando atender de maneira satisfatória os pré requisitos foram adquiridos 2 (dois) sensores do tipo NTC 10k, que para possibilitar o seu uso, tiveram que anteriormente serem calibrados, este processo foi feito de acordo com a seção A calibração foi feita no laboratório LETA, sendo utilizado assim um PT100 do próprio laboratório como base para obter os valores do sensor a ser utilizado, ainda para possibilitar tal processo foi necessário o uso de multímetro, para leitura das resistências, o mesmo disponibilizado pelo mesmo local. A forma da curva que o termistor utilizado é representa na Equação T(R) = a + b ln(r) + c ln (R) 3 Eq. 16 Previamente a calibração foi necessário fazer a montagem dos sensores, resultado que pode ser visto na figura 7, iniciando com a solda dos fios e seguindo de aplicação de um isolante, no caso pasta líquida isolante. Figura 7: Sensores NTC após montagem. Seguindo o edital, os sensores de temperatura foram instalados em tubos de PVC, para facilitar sua colocação no sistema previamente montado no laboratório de ensaios Medição de Vazão Material: 1(um) metro de tubo plástico cristal; 4(quatro) conexões de antena parabólica; 6(seis) conexões T para o tubo plástico; 1(um) luva de PVC para cano 100mm de diâmetro; 18

20 1(um) cap de PVC para cano 100mm de diâmetro; Tubo de silicone; Dentre as possibilidades de aparelhos para medição de vazão optou-se por a fabricação de uma placa de orifício. Procurando um equipamento que obtivesse bons resultados e também aliasse uma facilidade maior de fabricação, assim foi planejado a construção de uma placa de orifício com um cap que já possui dimensões próximas as finais. Para alcançar as medidas de encaixe, se utilizou uma bancada de fresa CNC, a mesma disponibilizada pelo Laboratório de Mecatrônica e Controle (LAMECC). Na figura 8, mostrasse este processo de fabricação da placa de orifício. Figura 8: Usinagem da placa de orifício e ao lado luva de PVC para o posterior encaixe Para medir a pressão antes e posterior a placa, foram montados os bocais para a medição da pressão estática. Foram utilizados os conectores de antena parabólica, realizando-se um préfuro um pouco menor que a dimensão final e após incandescendo os tubos metálicos para terem uma fixação já vedada. Foi necessário realizar um trabalho manual, de corte e ajuste dos tubos de plástico nas conexões. Para finalizar o medidor, foi aplicado silicone em todos os locais de encaixa, evitando assim possíveis vazamentos. O resultado final da placa de orifício pode ser visto na figura 9. Figura 9: Placa de orifício com sua montagem e vedação pronta Foram deixadas as conexões para o Manômetro de tubo em U, que será disponibilizado no dia do ensaio Acumuladores de Energia Material: Resina poliéster cristal com catalisador; Tubo de PVC de 32mm de diâmetro; 19

21 Cap`s para tubo de PVC de 32mm de diâmetro; Placa de papelão prensado; Placa de isopor O acumulador de energia deveria ser feito com o material previamente estabelecido, para isso foi seguido o manual de mistura levando em conta uma proporção de 1% (um por cento) a 2%(dois por centos) de catalisador em volume de resina total. Foi escolhido o valor mais alto para proporcionar uma segurança de que a reação acontecesse adequadamente. A forma escolhida para envase foram cilindros, a fim de manter uma boa relação de área/volume sem causar uma grande perda de carga no escoamento. A Figura 10 mostra os moldes após o envasamento. Figura 10: Moldes com o material já envasado. A posição dos cilindros é mostrada pela Figura 11, a ideia é aliar um perfil que permite o escoamento do ar sem grandes perdas de carga com uma troca de calor mais uniforme. Para isso foi colocado uma quantidade maior de cilindros na região final do escoamento onde a diferença de temperatura já estaria menor do que na região inicial Figura 11: Tubos de Resina Poliéster já sólidos, posicionados no suporte de papelão. Após alguns testes foi verificado a necessidade de trocar o suporte para facilitar a colocação do acumulador de calor na caixa para o ensaio. O modelo final conta com buracos para que possa ser segurado de cabeça para baixo e posicionado de forma rápida e correta dentro da caixa (uma das exigências do edital). 20

22 5. RESULTADOS 5.1. Curvas de utilização dos NTCs A calibração dos termistores foi realizada conforme as seções e 4.1 descrevem. O ajuste de curva foi feito utilizando o software Excel, devido a tendência logarítma da função dos NTCs o ajuste escolhido foi com funções logarítmas também. A Tabela 1 mostra os dados obtidos durante a calibração do NTC 1, que será utilizado para medir a temperatura após o acumulador. NTC 1 (ohm) Temp (ºC) NTC 1 (ohm) Temp (ºC) , , , , , , , , , , , , , , , , , ,878 Tabela 1: Dados obtidos pela calibração do NTC 1. A Equação 17 é a equação ajustada para o NTC 1. T( ) = 25,8 ln(r) + 261,7 Eq. 17 Onde R é dado em Ohms. A Figura 12 é a curva de Utilização do NTC 1. Figura 12: Curva de Utilização do NTC 1. 21

23 A tabela 2 mostra os dados obtidos para durante a calibração do NTC 2, que será usado para medir a temperatura no início do escoamento (junto à vazão). NTC 2 (ohm) Temp (ºC) NTC 2 (ohm) Temp (ºC) , , , , , , , , , , , , , , , ,878 Tabela 2: Dados obtidos pela calibração do NTC 2. A Equação 18 é a equação ajustada para o NTC 2. T( ) = 25,9 ln(r) + 263,6 Eq. 18 Onde R é dado em Ohms. A Figura 13 é a Curva de Utilização do NTC 2. Figura 13: Curva de Utilização do NTC Medidas de Vazão A Tabela 3 traz dados comparativos entre duas medidas de vazão com a placa de orifício. A primeira dessas medidas é antes de colocar o acumulador de calor dentro da caixa e a segunda é com ele. O valor medido foi a altura de coluna d água e com a utilização das equações 10, 14 e 4 foi possível obter as demais variáveis do problema. O cálculo da incerteza de medição para a vazão volumétrica foi feito utilizando a Equação 15 e os seguintes valores de incertezas individuais: 22

24 Altura de coluna d água 0,5mm K 4%K Antes do acumulador Depois do acumulador Vazão 0, , , m 3 s Velocidade 3,07+-0,1269 2,94+-0,1222 m s Tabela 3: Dados comparativos entre duas medidas de vazão com a placa de orifício e cálculo da incerteza de medição. 23

25 6. CONCLUSÕES Para o sucesso de qualquer prática experimental é necessária uma instrumentação bem feita. Antes de tudo é preciso entender o fenômeno que está sendo estudado, para que se possa fazer uma escolha de instrumentos adequados, bem como sua calibração e instalação. É importante ter uma noção da faixa na qual seus resultados deverão estar situados para realizar o projeto correto dos equipamentos de medição, neste caso, por exemplo, a faixa de Reynolds prevista serviu para projetar a razão de diâmetros (β) da placa de orifício construída especialmente para este experimento. Já a calibração dos NTCs foi realizada em uma faixa de temperatura próxima a esperada no procedimento prático. Deve-se, portanto, sempre trabalhar para diminuir os erros e incertezas de medição, porém não se pode ignorá-los. Não há medida exata, tão importante quanto obter um valor numérico médio para uma grandeza física é saber o quão afastado desta média pode estar o valor verdadeiro. Por isso é importante mensurar as incertezas e realizar corretamente a sua propagação. O presente texto obteve como medidas finais valores de vazão volumétrica, e consequentemente velocidade ao longo da tubulação. Devido as características operacionais do ensaio, o valor esperado de velocidade do ar ao longo da tubulação era de mais ou menos 3 m/s, indo ao encontro com as medidas realizadas. A ideia de projetar um acumulador de calor que causasse pequena perda de carga mostrou-se bem sucedida, pois o armazenador de calor construído causou uma redução relativamente pequena de velocidade do escoamento: 4%. Por fim, é importante ressaltar que este texto não comentou resultados sobre a velocidade de carregamento e descarregamento do calor pelo acumulador pois estes resultados serão obtidos posteriormente à data atual. 24

26 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FOX, McDonald, "Introdução a Mecânica dos Fluidos", LTC, 5ª ed., Rio de Janeiro, Brasil. [2] 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 [3] 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 [4] SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site [5] PANTUZI, T. A., 2006, Um estudo teórico da Transferência de Calor em Fluídos Confinados em Regiões Cilíndricas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista. Disponível no site: 25

27 A tabela de avaliação abaixo deve acompanhar o trabalho impresso: Capacidade de leitura na faixa indicada Perda de carga Incertezas Criatividade Conformidade com as normas de redação do concurso