UFGRS ESCOLA DE ENGENHARIA Projeto e Caracterização de Acumulador de Calor Sensível Octavio Bortoncello Porto Alegre, Dezembro 2014
Sumário Lista de Símbolos 3 Resumo 4 Abstract 5 Introdução 6 Revisão Bibliográfica 7 Fundamentação Teórica 7 Métodos Experimentais 9 Resultados 14 Conclusão 15 Referncias Bibliográficas 16 2
Lista de Símbolos T s T i T min T max T f Temperatura instantânea do ar na saída da seção de Ensaio [ C]. Temperatura inicial do Ar aquecido [ C]. Temperatura mínima do Ar aquecido na saída da bancada [ C]. Diferença máxima de temperatura (Ti-Tmin) [ C]. Temperatura fluido [ C]. T s Temperatura da superfície de troca de calor [ C]. t f Tempo final, tempo de ensaio decorrido entre início e retorno de T s à T 37%. T 37% Kvv Temperatura Ti-()*0,37 [ C]. Coeficiente de vazão/tensão para medidor de vazão [m 3 /s*mv]. K ntc1, K ntc2 e K ntc3 Coeficientes da equação de Steinhart-Hart. V Vazão volumétrica através da tubulação [m 3 /s] R ntc Resistencia instantânea do NTC [ohm] Ρar massa específica do ar nas condições ambientes [kg/m 3 ] K p coeficiente característico da placa de orifício. 3
Resumo O estudo apresentado propõem o projeto de um acumulador de calor sensível construído de resina poliéster, para operar sob convecção forçada de ar na faixa de 60 a 70 [ C] e com velocidade de escoamento de 3[m/s].A instrumentação da bancada de ensaios também faz parte do escopo do projeto, foram utilizados medidores de vazão de turbina e termo resistores do tipo NTC. Os objetivos de projeto eram minimizar o tempo de carga e a perda de carga, foi obtido um tempo de carga de 130 segundos, enquanto nenhuma perda de carga perceptível com a atual instrumentação. 4
Abstract The present study proposes the design of a sensible heat accumulator, made out of polyester resin, to operate under forced convection in hot air in the range of 60 a 70 [ C] and at a flow speed of 3m/s. The instrumentation of the test bench was part of the scope of the project, turbine flow meters and NTC termisistors were used. The project objectives were to minimize charging time and pressure drop, a charging time of 130 seconds was obtained, while no pressure drop was detected with current instruments. 5
Introdução O objetivo do presente estudo é o projeto e construção de um acumulador de calor sensível feito de resina de poliéster para operar sob convecção forçada de ar na faixa de 60 a 70 [ C] e com velocidade de escoamento de 3[m/s]. A instrumentação de baixo custo de uma bancada de testes para o levantamento do comportamento do acumulador também está inclusa neste estudo. O acumulador está restrito a uma massa de 1kg de resina é deve possuir a melhor relação de tempo de carregamento versus perda de carga. 6
Revisão Bibliográfica Segundo Tohidi et al, 2013 [1] o uso de placas onduladas em trocadores de calor pode aumentar o coeficiente de troca de calor por convecção forçada ao provar um escoamento caótico. Culham e Muzychka, 2001[2], propõem um método analítico de otimização de trocadores de calor do tipo aletas planas, semelhante ao empregado neste estudo. Seus métodos se baseiam no estudo pioneiro de Bejan,1996 a respeito da minimização da geração de entropia, como paramento para avaliar a relação entre troca de calor e perda de carga. Fundamentação Teórica: A diferença de pressão entre dois pontos num fluido estático pode ser determinada pela medida da diferença entre os dois pontos{fox, et al, 1938][4] p = ρgh (1) Onde ρ é a densidade do fluido manométrico utilizado, g a aceleração gravitacional média terrestre e h a altura da coluna de fluido. Uma placa de orifício em uma tubulação também gera uma diferença de pressão entre os pontos a jusante e montante, essa diferença pode ser relacionada a velocidade média do escoamento[schneider, 2000]. V = K! A!!!!!" (2) O V é a vazão volumétrica através da tubulação em [m 3 /s], K p coeficiente característico da placa de orifício, que engloba todos outros parâmetros da placa. A é a área da seção tubulação. Portanto combinando (1) e (2) é possível relaciona a altura da coluna manométrica com a vazão em um tubo. Segundo Steinhart e Hart, 1968[5], o comportamento não linear de um termo resistor NTC pode ser aproximado por uma curva de seguinte equação: 7
!! = K!"#! + ln R!"# K!"#! + ln (R!"# )! *K!"#! (4) R ntc é a resistência do NTC no momento da medida, enquanto os coeficientes K ntc, são os coeficientes da curva de Steinhart-Hart, obtidos através da calibração do NTC. Incropera et al, relacionam a taxa de extração de calor por convecção a três principais fatores: q = Ah(Tf Ts) (5) A taxa de transferência de calor q [W] é função do coeficiente de transferência de calor por convecção h e da diferença entre as temperaturas da superfície T s do sólido e do fluido T f. 8
Métodos Experimentais: Bancada de Ensaios A bancada de ensaios foi projetada e construída por integrantes do Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos. O diagrama esquemático a seguir descreve o sistema. 1.00 m 1.00 m 1.00 m (1) (2) (3) Termômetro LETA Ventilador Medidor de vazão LETA Seção de instrumentação Vazão e Temperatura ALUNOS 1.00 m 1.00 m (8) (7) (6) Seção de instrumentação Temperatura ALUNOS Termômetro Manômetro LETA Seção de ENSAIO (5) Termômetro Manômetro LETA (4) AQUECEDOR LUVA Figura 1. Bancada de ensaios do LETA. [Fonte: LETA] Na seção de ensaio foi colocado o acumulador, as dimensões (300mm x 450mm x 155mm) da caixa, revestida internamente com material isolante, criaram restrições ao projeto do acumulador. A bancada continha duas seções dedicadas a instrumentação própria do usuário independente da instrumentação do LETA, onde módulos de instrumentação podiam ser facilmente adicionados com o uso de luvas convencionais de tubulação de PVC. A descrição dos módulos projetados e utilizados segue abaixo. Medidor de Vazão O medidor de vazão construído baseia-se na utilização de uma turbina, originalmente um cooler 12V DC para gabinetes de computador, conectado a um resistor de 10 Kohm. A diferença de potencial entre os terminais do resistor é medida através de um multímetro. 9
Figura 2. Foto da seção transversal do medidor de vazão. Para calibrar o medidor foi realizado um ensaio com um medidor de referencia composto de uma placa de orifício e um manômetro calibrado.os pontos de calibração já convertidos para vazão volumétrica através da equação xx foram plotados no gráfico abaixo. Pontos de calibração medidor de vazão e curva ajustada. Vazão [m3/s] 0,045 0,03 0,015 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Tensão [mv] Figura3. Reta de utilização.pontos de calibração em cinza escuro, reta ajustada em cinza. 10
Foi observado um comportamento quase linear no intervalo de operação de interesse, portanto a relação entre vazão[m 3 /s] e diferença de potencial[mv] foi aproximada por uma equação de reta com coeficiente Kvv 8,14683E-06 [m 3 /s*mv]. Medidor de Temperatura Para a obtenção de valores da temperatura de saída do ar da seção de ensaio foi utilizado um termo resistor de coeficiente negativo ou popularmente NTC. Por simples razoes de facilidade de obtenção, foi selecionado um termo resistor de resistência nominal de 10 [KOhm].Este foi calibrado através da comparação com um sensor PT100 previamente calibrado. Os pontos então foram utilizados para ajustar uma curva Steinhart-Hart, cuja concordância com comportamento de NTC já foi comprovada [Steinhart e Hart, 1968].O resultado do ajuste de curva pode ser visto no gráfico abaixo. Figura 4.Curva de utilização. Ajuste de curva Steinhart-Hart para utilização de NTC 10Kohm Tabela1.Coeficientes da Equação de Steinhart-Hart. K ntc1 K ntc2 K ntc3 0,011437857 0,004564992 0,00114343 11
Como esperado a equação representa adequadamente o comportamento do termo resistor. Acumulador de calor Foram considerados três aspectos principais no projeto do acumulador de calor: simplicidade geométrica, maximização da área de troca de calor e redução ocupação da área transversal da seção de ensaios. O acumulador final está fotografado logo abaixo. Figura 5. Versão final do acumulador.composto por 3 chapas de rugosidade acentuada. 300mm x 155mm x 6mm(média). A determinação da geometria foi baseado em uma análise qualitativa, e a decisão por um formato relativamente simples foi tomada visando futuros estudos com métodos analíticos de projeto. Foi considerado o uso de um bocal convergente divergente para acelerar a velocidade do escoamento e aumentar o coeficiente de transferência de calor por convecção mas este depende somente da raiz da velocidade do escoamento, como apontam Culham e Muzychka, 2001, não justificando portanto o crescimento quadrático da perda de carga, de acordo [Fox et al, 1938] e com base nos dados 12
apresentados pelos mesmos autores, foi observado que entre geometrias simples: placas, paralelepípedos e cilindros, as chapas finas foram as que apresentaram menor coeficiente de arrasto. Segundo [Incropera et al] um baixo numero de Biot é desejável pois indica um pequeno gradiente de temperatura, característica favorável a extração de calor. Apesar de não ser possível calculá-lo sem o conhecimento valor do coeficiente de transferência de calor por convecção, uma redução na espessura da chapa resulta num Biot menor. Figura 6. Molde para fabricação das chapas de resina de poliéster. Portanto foi arbitrado espessura de 1mm e largura de 300mm x 14mm, mas dificuldades em obter esta espessura, causada pela lona plástica no fundo do molde, levaram ao redução do numero de chapas e o aumento da espessura para 6mm.Para reduzir o percentual da área superficial em contato com o elemento isolante que reveste a seção de ensaio, não foi construída uma base em resina, optando se por unir as chapas verticalmente com espaçadores. de papelão, material que não melhora a transferência de calor. O acumulador final possui uma massa de 970g de resina poliéster. ] 13
Resultados: O acumulador foi testado na bancada do LETA, com temperatura ambiente de 23.2 Celsius a uma pressão atmosférica de 101256 Pa. O gráfico abaixo apresenta o comportamento da temperatura de saída do Ar obtidas no termo resistor na saída da caixa de ensaio. Figura 7.Gráfico da temperatura do ar na saída da bancada vs. Tempo de experimento. Linha auxiliar indica T 37% A tabela 2 a seguir resume os principais resultados do ensaio. Tabela 2. Principais resultados do ensaio experimental do acumulador no LETA. Ti [ C] Tmin[ C] Tmax [ C] T37% [ C] Tf [s] 60,8 58,0 2,8 59,7 130 Os dados obtidos indicam um valor de temperatura mínima de 58,0( C) e um valor inicial de 60,8( C) do ar na saída da bancada. Consequentemente o T max obtido foi de 2,8( C), obtido aproximadamente 25(s) após o inicio do ensaio. O tempo final (t f ) obtido foi de aproximadamente 130 segundos. Os valores de vazão volumétrica obtidas antes e depois do ensaio variavam ambos entorno de 0,026 (m 3 /s), como a vazão gerada pelo ventilador não era estável não foi possível precisar a variação da mesma devido a presença do acumulador, 14
portanto com a atual instrumentação a perda de carga detectada foi de zero, apesar de evidentemente ter ocorrido. Conclusão: O tempo de carregamento de 130 segundos está bom, mas pode ser significativamente reduzido com a elaboração de placas mais finas como inicialmente foi concebido o acumulador. A não detecção de uma significativa perda de carga comprova que a escolha por placas sob esse aspecto foi a correta, e também confirma que se mantido esse tipo de geometria o escoamento não deve ser muito afetado, mesmo com um maior numero de placas. Existem diversas melhoras evidentes que podem ser realizados no sistema de medição, como elaboração de um script de aquisição automática de dados, para reduzir o tempo de ensaios. Mas a opção mais interessante para aprofundar o estudo no comportamento desta espécie de acumulador de calor, seria a utilização o deste presente estudo como base experimental para a analise de modelos de troca de calor conjugado. 15
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] TOHIDIi et Al, 2013, Chaotic advection induced heat transfer enhancement in a chevron-type plate heat exchanger, Springer, Berlin [2] CULHAM e MUZYCHKA, 2001, Optimization of Plate Fin Heat Sinks Using Entropy Generation Minimization, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 24, no. 2 [3] BEJAN, 1996, Entropy Generation Minimization, CRC Press, Boca Raton, FL [4]FOX et Al, 1938, Introdução a Mecânica dos Fluidos LTC [5] STEINHART e HART, 1968, Calibration curves for thermistors Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts, Volume 15, Issue 4, 497-503 [5] INCROPERA et al, 2001, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Riley 16
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