UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROJETO DE COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR. por Felipe Kern Micco Guilherme Paz Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014.
Resumo O objetivo deste trabalho foi viabilizar de forma eficiente a construção de um coletor solar, bem como seus dispositivos de medição de temperatura e de vazão, para ser utilizado como fonte de calor para a secagem de frutas. Utilizando materiais reciclados, como latas de alumínio e retalhos de chapas de zinco e poliestireno expandido, foi possível criar um coletor solar com a capacidade de aquecer o ar em aproximadamente 20 C com uma vazão de aproximadamente 0,028 m³/s. Palavras chave: coletor solar, materiais reciclados, latas de aluminio, medição de temperatura e de vazão. ii
Abstract The main objective of this study was to efficiently enable the construction of a solar collector, such as its mechanisms for measurements of temperature and flow, to be used as a heat source for drying fruits. Using recycled materials such as aluminum cans and scraps of corrugated iron and foam, it was possible to create a solar collector with the ability to heat the air at approximately 20 C with a flow rate of approximately 0,028 m³ / s. Keywords: solar collector, recycled materials, recycled materials, measurements of temperature and flow. iii
Lista de Figuras Figura 1 - Exemplos de anemômetros rotativos.... 4 Figura 2 - Cooler utilizado para a medição de vazão.... 4 Figura 3 - Desenho esquemático do sistema de bancada instalado para avaliação do coletor solar.... 6 Figura 4 - Coletor em software CAD Solidworks.... 7 Figura 5 - Coletor montado na bancada de ensaio... 7 Figura 6 - A esquerda: lata de alumínio cortada para montagem do coletor; A direita: montagem das latas alinhadas formando os dutos do coletor.... 7 Figura 7 - NTCs utilizados para a medição de temperatura no coletor solar.... 8 Figura 8- Sensor para medição de vazão, criado utilizando um cooler de computador... 8 Figura 9 - Multímetro conectado ao sensor de temperatura para a realização da medição.... 9 Lista de tabelas Tabela 1 - Dimensões padronizadas para a confecção do coletor solar.... 6 Tabela 2 - Medidas obtidas na avaliaçāo do coletor solar com suas respectivas temperaturas médias.... 9 Tabela 3 - Valor de corrente medido e valor de vazão calculado, ambos com as respectivas incertezas de medição.... 10 Lista de símbolos e abreviaturas A: Área [m²] h: Altura [m] m: Massa [kg] m : Vazão mássica [kg/s] P: Pressão [Pa] T: Temperatura [ºC] U: Tensão [V] V: Velocidade [m/s] V: Volume [m³] V : Vazão volumétrica [m³/s] ρ: Massa específica [kg/m³] Cd: Coeficiente de descarga R: Resistência [Ω] iv
Sumário 1. Introdução... 1 2. Revisāo Bibliografica... 2 2.1. Coletores Solares... 2 3. Fundamentação Teórica... 2 3.1. Coletores Solares... 2 3.2. Radiação... 3 3.3. Convecção natural e forçada... 3 3.4. Condução... 3 3.5. Medição de vazão volumétrica... 3 3.5.1. Placa de orifício... 4 3.5.2. Sensor rotativo... 4 3.6. Medida de vazão mássica... 5 3.7. Medição de temperatura... 5 3.8. Incerteza de medição... 5 4. Apresentação do caso estudado... 6 4.1. O Protótipo... 6 4.2. A instrumentação... 8 5. Resultados... 9 6. Conclusão... 10 7. Referências... 11 Anexo 1... 12 Anexo 2... 13 Anexo 3... 16 Anexo 4... 17 Calibraçāo... 17 v
1. Introdução Nos dias de hoje, o assunto energias renováveis Figura constantemente no cenário do desenvolvimento tecnológico. O consumo desenfreado de combustíveis fósseis bem como os impactos provocados pelos mesmos na natureza inspiram trabalhos e pesquisas a respeito de outras possíveis fontes de energia. Uma dessas fontes é a energia solar, o recurso mais abundante do planeta. Esse recurso pode ser usado para gerar energia elétrica através de células fotovoltaicas e aquecimento de fluidos. Esses por sua vez podem ser usados para mover turbinas ou simplesmente serem aquecidos e utilizados, sem o recurso da eletricidade. Segundo informação do site da Apren Associação Portuguesa de Energias Renováveis - um milhão de metros quadrados de painéis solares, poupa 2,5% das importações de combustíveis fósseis. Para a utilização desse recurso energético, uma das formas é o uso dos chamados coletores solares, que são dispositivos usados para converter a radiação solar por ele absorvida em energia térmica, a qual é transferida a um fluido que passe em seu interior. Juntamente com fontes renováveis, maior produtividade de alimentos e conservação da produção também são temas que compõem as pautas de discussão mundiais. O armazenamento de frutos, por exemplo, é dificultado pelo tempo em que o alimento pode ser conservado. Com mercado cada vez mais globalizado, há necessidade de estocar um determinado alimento por longo tempo, seja para transporte ou para consumo futuro. Pensando nisso este trabalho tem como motivação o desenvolvimento de um coletor solar para secagem de frutas as quais poderão ser armazenadas por um longo período de tempo sem que suas qualidades sejam afetadas. Utilizando os conhecimentos adquiridos na disciplina de Medições Térmicas, também foi proposto o sistema de medição da temperatura e de vazão do mesmo a fim de posterior comparação e validação. 1
2. Revisāo Bibliografica 2.1. Coletores Solares O coletor solar é um dispositivo onde se pode verificar a transmissão de calor através dos três processos: condução, convecção e radiação. A energia solar que incide por radiação é absorvida pelas placas coletoras. Estas transmitem a parcela absorvida desta energia para o ar, principalmente pelo processo de condução, e uma pequena parte é refletida para o ar que envolve a chapa. A eficiência do coletor é dada pela proporção destas três parcelas de energia (absorvida, transmitida e refletida) em relação à quantidade total de energia incidente. Dessa forma, o coletor será mais eficiente quanto maior for a quantidade de energia transmitida para o ar. A tecnologia de coletores solares térmicos continua em crescente desenvolvimento, e atual-mente a fronteira tecnológica fica por conta dos sistemas de ar quente para ventilação, utilizado prin-cipalmente em países frios, como Canadá e Alemanha. Suas funções são atenuação do clima, redução de perdas térmicas pela parede, melhoria da qualidade do ar, redução de problemas com pressão ne-gativa, etc. Tais sistemas consistem em absorvedores negros perfurados junto às paredes dos ambientes a serem aquecidos para captura da energia solar, um ventilador que força o ar através do coletor, vál-vulas e aquecedores auxiliares para a regulagem da temperatura e dutos por onde o ar será distribuído pelo edifício. As perdas de calor pela parede serão recuperadas, retornando pelo ar de entrada. As vantagens destes sistemas são inúmeras, como a possibilidade de montagem em qualquer superfície apropriada, a possibilidade de utilização de ventiladores e dutos já existentes nos locais, o baixo custo de manutenção, grande variedade de tamanhos, payback típico de 2 a 5 anos, entre outras. Podem ser utilizados tanto em projetos arquitetônicos como para pré-aquecer o ar para processos industriais e secagem de safras. 3. Fundamentação Teórica 3.1. Coletores Solares Coletores solares são dispositivos usados para absorver a radiação solar e transmitila a um fluido (água, ar), provocando o aquecimento do mesmo para uso em diversas situações. Os mecanismos de transferência de calor que ocorrem entre o coletor e o fluido são a condução e a convecção natural. Existem coletores de alta e de baixa capacidade caloríficas. Os de alta são chamados de coletores concentrados e são usados em instalações industriais e centrais solares para aquecimentos acima de 70 graus Celsius. Já os de baixa capacidade são empregados casas, hotéis e prédios em geral sendo comumente utilizado, por exemplo, para o aquecimento de água. 2
Dentre os coletores de baixa capacidade, se estudou os chamados coletores de ar. Esses dispositivos têm por características ter o ar como fluido a ser aquecido e serem mais indicados para situações de circulação normal de ar, alem de não possuírem uma temperatura máxima limite, porem os processos convectivos no ar são menos eficientes do que na água. Sua construção é simples: uma placa de cor preta absorve a radiação solar e a transmite para o ar que circula em seu interior, via condução e convecção. 3.2. Radiação A transmissão de energia através do espaço é chamada radiação. Este processo de transmissão do calor não depende da presença de um meio material, podendo ocorrer através do vácuo. A energia solar, por exemplo, chega até nós dessa forma. A energia transmitida deste modo é denominada energia radiante e apresenta-se na forma de ondas eletromagnéticas, assim como as ondas de rádio, as micro-ondas, a luz visível, a radiação ultravioleta (UV), os raios X e os raios gama. Essas formas de energia radiante estão classificadas por ordem de comprimento de onda (ou de frequência) constituindo o espectro eletromagnético. 3.3. Convecção natural e forçada Existem dois modos de convecção. A natural, onde o movimento do fluido é gerado apenas por diferença de densidade do fluido, ocorrendo devido aos gradientes de temperatura. Um exemplo deste fenômeno é o ar que quando aquecido torna-se menos denso, consequentemente, mais leve, e sobe de forma natural. Ou então a convecção forçada, com forças externas que facilitam o escoamento do fluido, como ventiladores e exaustores. Fica evidente que a convecção forçada é mais eficiente que a natural, por possuir mecanismos que facilitam o processo. 3.4. Condução No estudo da transferência de calor, condução térmica ou difusão térmica (ou ainda condução ou difusão de calor) é a transferência de energia térmica entre átomos e/ou moléculas vizinhas em uma substância devido a um gradiente de temperatura. Noutras palavras, é um modo do fenômeno de transferência térmica causado por uma diferença de temperatura entre duas regiões em um mesmo meio ou entre dois meios em contato no qual não se percebe movimento global da matéria na escala macroscópica, em oposição à convecção que é outra forma de transferência térmica. 3.5. Medição de vazão volumétrica Existem diversas maneiras de se medir a vazão volumétrica em escoamentos em dutos, dentre as quais podemos citar as placas de orifício e os sensores rotativos. 3
3.5.1. Placa de orifício A configuração mais comum é construída com um orifício concêntrico (placa) montado entre flanges, que interrompe uma canalização ou canal fechado. Neste método de medição, a placa provoca uma redução da seção do fluxo e é montada entre dois anéis que contêm furos para tomada de pressão em cada lado. Através da equação de Bernoulli, com as devidas simplificações, é possível descobrir a velocidade do escoamento através da equação abaixo: V = C D (Po P) ρ esc (1) 3.5.2. Sensor rotativo Sensores rotativos são baseados na transformação de um movimento relativo de um rotor, submetido a um escoamento de um líquido ou de um gás. A Figura que segue mostra 4 modelos diferentes de anemômetros rotativos. [SCHNEIDER, 2007]. Figura 1 - Exemplos de anemômetros rotativos. Todos esses anemômetros somente medem a velocidade de uma corrente apenas para um mesmo sentido. A leitura da velocidade é facilmente adquirida por meios digitais, uma vez que sua calibração depende da contagem da rotação de um rotor. Devido ao seu tamanho, não representam valores discretos ou de ponto do campo de velocidades. [SCHNEIDER, 2007]. Outra forma é a utilização de um cooler de computador, no qual a sua rotação vai gerar uma determinada corrente, a qual pode ser facilmente lida em um multímetro. Figura 2 - Ventilador utilizado para a medição de vazão. 4
3.6. Medida de vazão mássica É a quantidade de massa de ar por unidade de volume que passa por alguma abertura. É a vazão volumétrica multiplicada pela densidade do fluido que escoa pelo ponto de analise. É representada pela equiação abaixo: 3.7.Medição de temperatura m = ρ V Os RTDs empregam um aumento linear e crescente da resistência em relação a temperatura, embora esse aumento seja pequeno. Os termistores, por sua vez, apresentam um comportamento bastante não-linear, com uma diminuição da resistência com o aumento da temperatura, mas fornecem um sinal maior que os RTDs. O material empregado é um semicondutor, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 0 ºC até 200 ohm a 100 ºC, como mostra a Figura. A diminuição da resistência com a temperatura vale a esse tipo de sensor o nome de NTC (coeficiente de temperatura negativa). O comportamento não linear do termistor é representado pela relação: Onde A e B são constantes [SCHNEIDER, 2007]. R = A. e B T (2) 3.8. Incerteza 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% [SCHNEIDER, 2007]. 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 por: U r = (( V u x 1 ) 2 + + ( V u 1 x n ) 2 1 2 ) n (3) Sendo x 1 até x n as variáveis dependentes, u 1 até u n os desvios padrão das variáveis dependentes e V a equação para chegar ao dado esperado. 5
4. Apresentação do caso estudado O problema proposto foi a otimização de um coletor solar já existente para a secagem de frutas. O protótipo desenvolvido devia tentar superar o de referencia em capacidade de aquecimento de ar (ΔT) e geração de vazão mássica (m ), a fim de se obter um modelo mais eficiente. Para tal, foi necessário também, propor a instrumentação do protótipo, mas sem a permissão para usar dispositivos prontos ou industrializados específicos para as funções. As medidas de vazão e temperatura resultantes no coletor foram feitas utilizando dispositivos alternativos, sempre se guiando pela teoria vista em sala de aula. O protótipo foi instalado em uma bancada padronizada, mostrada na Figura 3, onde todos os modelos foram submetidos às mesmas condições para teste, sendo eles o mesmo sol, ou seja, mesma incidência de radiação e a mesma vazão de ar. Figura 3 - Desenho esquemático do sistema de bancada instalado para avaliação do coletor solar. Para a construção do coletor, algumas medidas padrão precisaram ser respeitadas, como mostrado a seguir: Tabela 1- Dimensões padronizadas para a confecção do coletor solar. 4.1. O Protótipo O protótipo (Figuras 4 e 5) foi idealizado a partir da definição da superfície captadora, feita de alumínio dada a alta condutividade térmica do mesmo, com sua face superior, a qual recebe a radiação, pintada na cor preto fosco, para elevar a capacidade de absorver calor e minimizar perdas por reflexão. 6
Figura 4 - Coletor em software CAD Solidworks. Figura 5 - Coletor montado na bancada de ensaio. Tendo em mente o tema da importância da reciclagem para amenizar os impactos ambientais, aproveitou-se a oportunidade para utilizar latas recicladas de bebidas (Figura 6) para a formação da superfície coletora. Figura 6 - A esquerda: lata de alumínio cortada para montagem do coletor; A direita: montagem das latas alinhadas formando os dutos do coletor. 7
4.2. A instrumentação Baseado na teoria estudada foi escolhido para a medição de temperatura no coletor a utilização de termistores com coeficientes de temperatura negativa (NTC). Foram utilizados dois NTCs (Figura 7) em cada ponto para uma melhor estimativa dos resultados dado o fato da não homogeneidade da temperatura da corrente de ar no interior do duto. As resistências eram medidas com um multímetro digital. Figura 7 - NTCs utilizados para a medição de temperatura no coletor solar. Já para a medição de vazão foi utilizado um cooler de computador (Figura 8) como sensor rotativo. Dependendo da vazão, o dispositivo gera uma corrente, a qual era medida por um multímetro e posteriormente correlacionada com o comportamento do cooler para se estimar sua vazão volumétrica e mássica. Figura 8- Sensor para medição de vazão, criado utilizando um ventilador utilizado para arrefecimento de computadores. 8
5. Resultados A partir dos valores obtidos nas medições realizadas, foi possível calcular os valores de temperatura média na entrada e na saída do coletor proposto e também obter o valor de vazão na saída do coletor. Primeiramente as temperaturas medidas foram aproximadas por uma equação linear, e posteriormente recalculadas utilizando as curvas exponenciais de calibração, os resultados para as temperaturas de entrada e saída são apresentados na tabela 2. Tabela 2 - Medidas obtidas na avaliaçāo do coletor solar com suas respectivas temperaturas médias. Teste Final NTC0 NTC1 NTC2 NTC3 Resistencia [Ω] 492,5 532,5 253,5 283,5 T_Linear [ C] 22,4 21,88 42,46 40,77 T_Exponencial [ C] 23,38 22,93 41,64 39,88 Incerteza [ C] 1,06 1,04 1,89 1,81 T media [ C] Entrada 23,15 Saída 40,76 Incerteza media [ C] 1,03 1,36 Na Figura 9 é possível visualizar o multímetro utilizado para a obtenção dos valores mostrados na tabela acima. Figura 9 - Multímetro conectado ao sensor de temperatura para a realização da medição. O valor de corrente obtido e sua respectiva incerteza de medição é mostrado na tabela 3 juntamente com o respectivo valor de vazão calculado. 9
Tabela 3 - Valor de corrente medido e valor de vazão calculado, ambos com as respectivas incertezas de medição. Corrente [ma] V [m³/s] m [kg/m³] 13,65 0,02788 0,03142 Incerteza 0,62108 0,00127 0,00127 6. Conclusão O trabalho atingiu seus objtivos didaticos e praticos, pois se verificou que o coletor foi capaz de aquecer o ar mantendo a vazão proxima do valor de referencia estipulado pelo professor na tubulação de saída, ou seja, o coletor mantém um fluxo de calor suficiente para a secagem das frutas mais rapidamente que o de referencia. Didaticamente, foi possivel observar a aplicabilidade da teoria vista em sala de aula no desenvolvimento de projetos mais eficientes e ecologicos. A medida obtida de temperatura na entrada do coletor foi de 23,15 ± 1.03 ºC, e a medida de temperatura na saída do coletor foi de 40,76 ± 1.36 ºC. A vazão do escoamento obtida na saída do foi de 0,02788 ± 0.00127 m³/s em relacao ao valor de 0,029 m³/s do modelo de referencia. Para trabalho futuros, devem-se utilizar diferentes tipos de materiais e geometrias no interior do coletor para verificar a importância da turbulência e também da inércia térmica do coletor. 10
7. Referências STRADULIS, T. G. P., Coletor de Energia Solar, Relatório final de ensino, UNICAMP, 2003. POLITERM, especificações do multímetro. Disponível em: http://www.politerm.com.br/eshop.admin/imagens/politerm/folheto-multimetro- Digital-POL---777.pdf, acessado em 01/07/2014 SCHNEIDER, P. S., 2011, Incertezas de Medição e Ajuste de dados. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/incerteza.html SCHNEIDER, P. S., 2011, Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/temperatura.html SCHNEIDER, P. S., 2011, Pressāo e Vazāo Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html SPECTRUM, NTC Thermistors Engineering Notes, https://www.digikey.com/web%20export/supplier%20content/api-technologies- 1171/pdf/api-ntc-engineering-notes.pdf?redirected=1, acessado em 01/07/2014 http://www.geste.mecanica.ufrgs.br/medterm/edital_mt.pdf, acessado em 10/05/2014 11
Resistencia PT100 [Ω] Anexo 1 Curva característica do PT100 PT100 Rpt100 [Ω] T [⁰C] 119,53 49,82143 118,05 46,04592 117,36 44,28571 116,26 41,47959 115,38 39,23469 114,46 36,88776 108,83 22,52551 122 120 118 116 114 112 110 108 106 104 102 100 Curva de referência: PT100 y = 0,392x + 100 R² = 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Temperatura PT100 [⁰C] PT100 Linear (PT100) 12
Anexo 2 Calibração da medição de temperatura pelos NTCs PT100 NTCs Rpt100 [Ω] T [⁰C] Rntc0 [Ω] Rntc1 [Ω] Rntc2 [Ω] Rntc3 [Ω] 119,53 49,82143 181,7 194,3 188,8 194,8 118,05 46,04592 208,17 223,14 215,76 223,24 117,36 44,28571 221,01 238,16 230,08 238,4 116,26 41,47959 244,19 262,7 253,21 262,37 115,38 39,23469 268,66 288,48 277,08 287,72 114,46 36,88776 290,9 312,82 300 302,02 108,83 22,52551 Ambiente 512 545,3 517,2 542,3 13
Calibração da medição de vazão pelo cooler Placa de orifício Δp [mmh2o] Δp [Pa] Kp [m²] u [m/s] g [m/s²] ρ_ar [kg/m³] V [m³/s] 32 313,92 0,001286 22,87356553 9,81 1,2 0,029415405 8,5 83,385 0,001286 11,78876584 9,81 1,2 0,015160353 11,5 112,815 0,001286 13,71222083 9,81 1,2 0,017633916 15,25 149,6025 0,001286 15,79042431 9,81 1,2 0,020306486 20,5 201,105 0,001286 18,30778523 9,81 1,2 0,023543812 30 294,3 0,001286 22,14723459 9,81 1,2 0,028481344 34 333,54 0,001286 23,57753168 9,81 1,2 0,030320706 42 412,02 0,001286 26,20496136 9,81 1,2 0,03369958 48 470,88 0,001286 28,01428207 9,81 1,2 0,036026367 56 549,36 0,001286 30,25888299 9,81 1,2 0,038912924 Cooler - Vazão Corrente [ma] V [m³/s] 14,5 0,029415405 3,6 0,015160353 5,3 0,017633916 7,1 0,020306486 9,7 0,023543812 12,65 0,028481344 15,65 0,030320706 18,05 0,03369958 20,5 0,036026367 23 0,038912924 14
Vazão com placa de orifício [m³/s] Corrente no Cooler [ma] Calibração do cooler 25 20 15 10 5 y = 0,4089x + 0,7635 R² = 0,9939 Calibração do cooler Linear (Calibração do cooler) 0 0 10 20 30 40 50 60 Diferença de pressão na placa de orifício [mmca] Vazão medida via Cooler 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 y = 0,0012x + 0,0115 R² = 0,9932 0 5 10 15 20 25 Corrente gerada pelo Cooler [ma] Vazão x corrente Linear (Vazão x corrente) 15
Anexo 3 16
Anexo 4 Calibraçāo Para a medição da temperatura, sabe-se que o termistor NTC tem comportamento exponencial, sendo assim necessária a obtenção da curva do mesmo para a estimação da incerteza de cada um. As curvas de cada NTC podem ser observadas no Anexo 2 do presente relatório. A calibração foi feita comparando-se os dados de resistência obtidos nos NTC com os obtidos por um sensor de referencia PT100 enquanto ambos eram expostos mesmo calor, dentro de uma garrafa térmica. Através dos gráficos apresentados no Anexo 2, foi possível estimar as incertezas de cada NTC. Para o cooler, se utilizou um manômetro em U ligado a uma placa de orifício para se efetuar a calibração do dispositivo rotativo. Sabendo-se a variação de pressão lida na placa, foi possível encontrar as vazões que ocorriam e assim comparar com os valores de corrente lidos no cooler, montando assim a curva característica do mesmo, também presente no Anexo 2. 17