DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR por Bruno Hartmann da Silva Miguel Kühnert Frichenbruder Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014

2 ii FRICHENBRUDER, M. K., HARTMANN DA SILVA, B.; Desenvolvimento e construção de um protótipo de coletor solar para aquecimento de ar, 2014, Trabalho final 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 trabalho apresenta um protótipo de aquecedor de ar, que utiliza apenas a energia solar, desenvolvido com o objetivo de aumentar a eficiência de um coletor mais simples já existente. O protótipo, que é fabricado com latas de alumínio, é ensaiado em uma bancada própria para esse fim com uma rotação predeterminada no ventilador. Os valores de temperatura do ar na entrada e na saída do protótipo e da vazão são medidos e calculados, se obtendo uma diferença de temperatura de 21,43 C com uma vazão mássica de 36,43x10-3 kg/s. Verifica-se, a partir de cálculos, que o calor transmitido para o ar é de 784,58 23,55 W. PALAVRAS-CHAVE: Energia solar, coletor, aquecedor de ar, transferência de calor.

3 iii FRICHENBRUDER, M. K., HARTMANN DA SILVA, B.; Development and construction of a solar collector to heat up air, 2014, Final work part of the Thermal Measurements discipline of the Mechanical Engineering course Mechanical Engineering Department, Universidade Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT A prototype of air heater moved by solar energy is made aiming the enhancement of another similar heater already in use. The prototype, manufactured from recycling aluminums cans, is tested in a test bench made for this objective, determining a constant frequency of rotation in the fan. The values of the input and output air temperature and the mass flow rate are measured and calculated. A difference of temperature of 21,34 C is obtained, with a mass flow rate of 36,43x10-3 kg/s. The result of the calculus made to find the transferred heat is equal to 784,58 23,55 W. KEYWORDS: Solar energy, collector, air heater, heat transfer.

4 iv SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT II III 1. INTRODUÇÃO 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Termodinâmica Transferência de calor Tubo de Pitot Método das áreas iguais Incertezas de medição Propagação de incertezas 5 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Problemas experimentais Calibração do sensor NTC Caso Desenvolvimento do protótipo Procedimento experimental Resultados CONCLUSÃO 11 REFERÊNCIAS 12 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12

5 1 1. INTRODUÇÃO A atual preocupação com o meio ambiente, devido à poluição causada pela utilização de combustíveis fósseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado, tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenção de energia a partir de fontes tidas como sustentáveis, tendo como principal característica a baixas ou nulas emissão de poluentes e impacto ambiental. Dentre essas novas fontes energias, uma das mais notáveis é a energia solar, a qual tem tomado destaque no uso de células fotovoltaicas para a conversão de radiação solar em energia elétrica. Desenvolvimentos contínuos vêm sendo feitos para a substituição de antigas fontes de energia por conversores de energia solar como, por exemplo, Ivanpah, a maior usina movida a energia solar do mundo, no deserto de Mojave, produzindo 377 MW em 14,2 km² [brightsourceenergy.com] e na melhoria do rendimento de tecnologias voltadas à sua obtenção o instituto Fraunhofer ISE, Soitec, CEA-Leti e o Helmholtz Center Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcançado o recorde mundial de rendimento em uma célula solar, alcançando uma conversão de energia com 44,7% de eficiência [Fraunhofer ISE, 2013]. Entretanto, as tecnologias mais eficientes são ainda muito caras para o alcance do público em geral. Mesmo assim, existem meios de utilização da energia solar acessíveis para tarefas domésticas ou de pequena escala. Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta da Estância Grande, em Viamão-RS, onde o ar é aquecido pela placa metálica que coleta radiação solar e é elevado para a câmara de secagem naturalmente por empuxo. Figura 1: Secador de frutas montado na Quinta da Estância Grande. O objetivo deste trabalho é a otimização do coletor de energia solar para uma maior eficiência no aquecimento do ar. Será construído um protótipo com menores dimensões tendo como objetivo uma maior diferença de temperatura sem a diminuição excessiva da vazão, observando a anulação de vazamentos e mínima ocorrência de perda de carga.

6 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Hirunlabh et alii, 1999, demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por energia solar utilizando placas metálicas aplicando o método para a ventilação de ambientes em climas tropicais. O estudo conseguiu produzir uma vazão mássica entre 0,01 e 0,02 kg/s utilizando uma placa de 2 m². Alvarez et alii, 2004, construíram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de latas de alumínio recicladas, conseguindo um aproveitamento de 74% na transferência de calor com uma vazão mássica de 0,033 kg/s. Kopp e Lean, 2011, aproximaram que a constante solar, valor de radiação solar na superfície terrestre utilizado para fins de engenharia, tem seu valor igual a 1360,8 0,5 W/m². Finalmente, Hakan et alii, 2013, apresentam uma revisão do histórico do uso de aquecedores solares e uma análise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia solar. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Termodinâmica Assumindo o ar como gás ideal, podemos dizer que ele é regido pela equação (1): pv = m M RT (1) Como a massa específica de um componente é a massa total sobre o volume total, podemos dizer que: ρ = pm RT (2) Onde é a massa específica, p a pressão local, M a massa molar, R a constante dos gases e T a temperatura em que se encontra a substância. 3.2 Transferência de calor O coletor funciona basicamente absorvendo radiação solar e transferindo por convecção para o ar interior. Depois que se atinge o regime permanente do sistema, parte dessa energia é perdida por condução pelas laterais, pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna como radiação para o ambiente. Todo o resto é transferido para o ar escoando internamente. Fazendo o balanço de energia temos: q Rec = q Ar + q Perd (3) A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lâmpadas de P de potência, distribuídas em uma área de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano superior da caixa coletor a uma distância L. Como as dimensões são aproximadamente iguais às do coletor, pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equação (4):

7 3 F BC = 2 πx Y {ln [ (1 + X 2 )(1 + Y 2 ) X 1 + X 2 ] + X ( 1 + Y + Y 2 2 ) tan Y 2 (4) Y + Y ( 1 + X 2 ) tan 1 X tan 1 X Y tan 1 Y } 1 + X 2 Onde: X = X L (5) Y = Y L (6) O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegará à superfície superior do coletor, assumindo absortividade do ar externo igual a zero. Sendo assim, podemos dizer que: q Rec = F BC NP (7) O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts. Tendo o ar um calor específico médio cp, pode-se dizer que: q Ar = m c p (T s T e ) (8) Assim, a equação 1 fica: F BC NP = m c p (T s T e ) + q Perd (9) A eficiência do coletor é dada pela razão entre a energia recebida e o calor efetivamente passado para o ar, ou seja: = m c p(t s T e ) F BC NP (10)

8 4 A Figura 2 mostra aplicação da primeira lei da termodinâmica no aquecedor de ar, sendo que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (q Rec); as linhas cinzas, o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (q Ar); as linhas vermelhas, o fluxo de calor não aproveitado para aquecer o ar (q Perd). Figura 2: Demonstração dos fluxos de calor ao aplicar a 1º lei termodinâmico no aquecedor de ar. 3.3 Tubo de Pitot O tubo de Pitot é um instrumento de medição de velocidade de escoamento a partir da comparação entre as pressões estática e dinâmica do escoamento em um determinado ponto. O tubo tem uma ponta disposta na mesma direção do escoamento, causando um ponto de estagnação que obtém a pressão dinâmica. A outra ponta está ligada a uma tomada de pressão na parede do duto, que obtém a pressão estática. Figura 3: Esquematização do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER, 2011]

9 5 A dedução de SMITH SCHNEIDER, 2011, mostra que podemos obter a velocidade do fluido no ponto de medição a partir da equação de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da imagem, resultando na equação: u 1 = 2(p 2 p 1 ) ρ [1 ( D 2 D 1 ) 4 ] (12) 3.4 Método das áreas iguais O cálculo assume uma velocidade média ao longo da secção transversal do escoamento, pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de medição caso a velocidade seja medida em apenas um ponto. Podemos utilizar o método das áreas iguais para a medição da velocidade média do escoamento: n u = w i u i i=1 (11) Na tabela a seguir são mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto de medição pelo método das áreas iguais para 2 e 3 pontos: Tabela 1: Raios adimensionais e pesos utilizados para o cálculo de velocidade média pelo método das áreas iguais. [SMITH SCHNEIDER, 2011] Quantidade de pontos Cotas do método das áreas iguais de medição n r w 2 0,5000 1,2 0,8660 1,2 0,4082 1/3 3 0,7071 1/3 0,9129 1/3 3.5 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. 3.6 Propagação de incertezas 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:

10 5 2 2 f(x, y) f(x, y) ω f = ( ω x x ) + ( ω y y ) (13) 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 4.1 Problemas experimentais A configuração da bancada experimental fornece uma simulação da radiação solar através de um banco de 17 lâmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 0,2 m do coletor solar. A admissão de ar será realizada por um ventilador centrífugo na frequência de 20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diâmetros) de comprimento antes de cada tomada de medida, com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se completamente. As dimensões predeterminadas do protótipo foram de 1 m de comprimento, 0,3 m de largura e 0,15 m de altura. Figura 4: Bancada de testes montada para a experimentação do protótipo. 4.2 Calibração do sensor NTC O sensor resistivo de temperatura NTC, o qual foi utilizado na aquisição de dados da bancada experimental, foi calibrado por comparação com um sensor PT-100 de referência com curva de calibração conhecida. Os dados coletados estão representados na Tabela 2. Tabela 2: Dados coletas na calibração do NTC 1 e NTC 2. Calibração PT 100 [Ω] Temperatura [ºC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω] 130,0 79,4 79,0 74,0 128,3 74,9 94,0 87,5 125,4 67,2 123,1 113,2 123,7 62,6 139,3 129,4 121,9 57,9 165,1 153,0 121,6 57,1 167,2 155,2 119,7 52,0 199,7 184,9 118,3 48,3 225,5 208,6 117,6 46,4 239,0 221,2 116,8 44,3 260,0 240,4

11 6 115,7 41,4 287,4 265,9 114,5 38,2 324,2 300,1 113,9 36,6 345,8 319,5 109,0 23,6 550,0 502,0 Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equação de Steinhart- Hart para calibração de termistores [STEINHART, HART, 1968], resultando nas seguintes equações: 1 T NTC1 = 0, , ln R + 0, (ln R) 3 1 T NTC2 = 0, , ln R + 0,000001(ln R) 3 (15) (14) Onde R, T NTC1 e T NTC2 correspondem respectivamente à resistência, à temperatura calculada a partir do NTC 1 e à temperatura calculada a partir do NTC 2. Nas equações se utilizou a resistência como variável independente apenas para facilitar o cálculo da temperatura nas futuras medições. Figura 5: curva de calibração dos resistores NTC 1 (azul, pontos medidos em cruz) e NTC 2 (verde, pontos medidos em círculo). 4.3 Caso O desenvolvimento do protótipo com maior eficiência ocorre sobre o sistema de aquecimento de ar da Figura 6. O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absorvido pela placa metálica preta que, posteriormente, aquece o ar por convecção.

12 7 Figura 6: Aquecedor solar montado (a) e uma visão do sistema interno (b). 4.6 Desenvolvimento do protótipo O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem alterar significativamente a obstrução da passagem de ar. Portanto, o desenvolvimento do protótipo foi a busca do equilíbrio destes dois quesitos antagônicos. Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor, foi alterada a geometria da superfície interna de maneira que seu fator de forma em relação à superfície de vidro fosse reduzido, pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfície escura seria novamente absorvida pelo coletor. A cor da superfície continuou preta para manter a mesma absortividade. A segunda hipótese acerca da geometria foi de que a superfície interna deveria ser estendida para ocorrer maior troca de calor por convecção para o ar. Várias geometrias atendem as premissas apresentadas, porém foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina, para não causar grande perda de carga e para diminuir a resistência condutiva do exterior para o interior dos dutos. O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor. Escolheu-se fabricar as paredes externas de madeira Pinus, pois, devido à sua baixa condutividade térmica, o fluxo de calor perdido através destas superfícies seria pequeno. Contudo, um material com alta condutividade térmica poderia conduzir o calor mais uniformemente da região superior para a inferior do coletor, favorecendo o aquecimento do ar. Portanto foi determinado que, como material interno, o alumínio satisfaria esse objetivo.

13 8 Como a motivação para o trabalho proveio de um secador de frutas ecológico, pois utiliza apenas energia solar, foi percebido que a utilização de latas de alumínio reaproveitadas seria uma boa saída para manter um padrão de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao meio ambiente. As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumínio nos duto e nas paredes internas laterais e inferiores: Figura 7: Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas. Figura 8: Interior dos dutos.

14 9 Figura 9: cobertura da superfície interna com alumínio retirado de latas reaproveitadas. Figura 9: Sistema interno do protótipo montado. 4.7 Procedimento experimental Inicialmente, foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema: Tabela 3: Dados, constantes e propriedades físicas utilizadas nos cálculos. Dados do Problema Comprimento interno do coletor X [m] 1 Largura interna do coletor Y [m] 0,3 Distância da bancada luminosa L [m] 0,2 Potência das lâmpadas P [W] 200 Número de lâmpadas N 17 Diâmetro do duto [mm] 100 Diâmetro do tubo de Pitot [mm] 7 Constantes e propriedades físicas Pressão atmosférica [kpa] 101,325 Massa molar do ar [g/mol] 28,97 Calor Específico do ar cp [kj/(kg K)] 1,005 Constante dos gases [kj/(kmol K)] 8, , Fator de conversão mmca-pa [Pa/mmCa] 9,807

15 10 As resistências dos termistores foram medidas com o multímetro do LETA (Politerm POL-777 ou UT71E), e, utilizando as funções de interpolação (15) e (14), foram calculadas as temperaturas do NTC 1 e NTC2, respectivamente. Com o tubo de Pitot foi medida a pressão cinética do escoamento em três pontos distintos ao longo do raio do duto. A partir dos dados coletados, foi calculada a velocidade do escoamento, equação (12), em cada ponto para, então, utilizando o método das áreas iguais - equação (11) -, obter-se a velocidade média e a vazão do escoamento. A incerteza de medição da resistência do NTC foi calculada conforme indicado no manual fabricante do multímetro (Tabela 4). Deve-se observar que durante a calibração se considerou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura. O erro associado à temperatura foi calculado conforme indicado na seção 3.6. Devido a falta de informações sobre o manômetro utilizado se considerou que o erro associado à medição de pressão era de 0,1 mmca, que corresponde à resolução do instrumento. Tabela 4: Incerteza de medição do multímetro Politerm POL-777. Multímetro UT71E Range Resolution Accuracy 400 Ω 0,01 Ω (0,3%+8)+test leads short circuit value A propagação das incertezas no cálculo das grandezas posteriores foi calculada conforme a seção 3.6. As incertezas da pressão atmosférica, da massa molar do ar e do calor específico do ar foram consideradas iguais a 0, por tratarem-se de valores padronizados que podem variar de acordo com o ambiente onde o experimento é realizado. A incerteza da constante dos gases foi considerada, mesmo que afete pouco a incerteza final. Também, não foram consideradas as incertezas das dimensões do tubo de Pitot e do duto de saída do ar. 4.8 Resultados Os resultados das medições e dos cálculos realizados no ensaio experimental com o NTC1, NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6. O NTC 1 mensurava a temperatura do ar de admissão do aquecedor solar, enquanto o NTC 2, a temperatura de descarga. Tabela 5: Valores calculados de temperatura a partir das medições utilizando o NTC. Resistência [Ω] Temperatura [ºC] T [ C] NTC 1 521,0 ±1,673 25, ±0, , ± 0,1338 NTC 2 224,0 ±0,782 46, ±0,1013 Tabela 6: Valores encontrados com o tubo de Pitot. r Diferença de Pressão Diferença de Pressão [mmca] [Pa] 0,4 1,2 ± 0,1 11,76798 ± 0,9807 0,7 1 ± 0,1 9,80665 ± 0,9807 0,9 0,8 ± 0,1 7,84532 ± 0,9807 Utilizando a equação (1), foram calculadas as massas específicas do ar nas temperaturas de entrada e de saída, desprezando-se a diferença de pressão. A Tabela 7 mostra os valores encontrados:

16 11 Tabela 7: Valores calculados na rotina de cálculo para as vazões. Rotina de Cálculo de Vazão s [kg/m³] 1, ,1x10-6 R ui [m/s] 0,4 4, , ,7 4, , ,9 3, ,23555 u i [m/s] 4, ,12331 A [m²] 7,85398x10-3 m [kg/s] 36,438x10-3 1,07x10-3 Para o cálculo da energia, foram realizados os cálculos a partir das equações da seção 3.2, resultando nos seguintes valores: 3. CONCLUSÃO Tabela 8: Valores calculados na rotina de cálculo de transferência de calor. Rotina de Cálculo de Transferência de Calor X 5 Y 1,5 FBC 0,4613 q Rec [W] 1568,4 q Ar [W] 784,5 23,5 50% O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos de mecânica dos fluidos e transferência de calor. As modificações se restringiram somente na geometria e no material da superfície interna. Contudo, foram suficientes para se obter a eficiência térmica de 50%, uma diferença de temperatura de 21,43 C. A perda de carga foi tal que permitiu uma vazão mássica de 36,4x10-3 kg/s. Como resultado final, o calor efetivamente transferido para o ar se mostrou igual a 784,5 W com uma incerteza associada de 23,5 W. Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar análise auxiliada com simulação numérica, verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteração empregada. Também pode-se alterar o material da superfície interna para cobre a fim de uniformizar a distribuição de temperatura ou, seguindo o pensamento ecológico do aquecedor solar, modificar a superfície translúcida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET.

17 12 REFERÊNCIAS ALVAREZ et alii; Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate made of recyclable aluminum cans, Solar Energy, 2004, vol 77, pp 107 a 113. BRIGHT SOURCE ENERGY; eb8d/folder/ivanpah_fact_sheet_3_26_14.pdf, acessado em 03/07/2014. FRAUNHOFER ISE; Press Release. 23/09/2013, Freiburg, Alemanha, /world-record-solar-cell-with-44.7-efficiency, acessado em 03/07/2014. HIRUNLABH et alii; Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under tropical climate; Renewable Energy, 1999, Vol 18, pp. 109 a 119. KOPP, G; LEAN, J. L.; A new, lower value of total solar irradiance: evidence and climate significance, Geophysical Research Letters, 2011, Vol 38. POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO LTDA; Especificações técnicas do multímetro digital POL-777, POL pdf, acessado em 06/07/2014. SMITH SCHNEIDER, P; Medição de Velocidade e Vazão em Fluidos, 2011, Porto Alegre, Brasil. STEINHART, J. S.; HART, S. R.; Calibration curve for Thermistors; Deep-Sea Research, 1968, VoL 15, pp. 497 a 503. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA NASA; Earth Fact Sheet. acessado em 03/07/2014. NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY NIST; Fundamental Physical Constants: Molar Gas Constant, search_for=gas+constant, acessado em 04/07/2014.