UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROJETO DE UM COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR por Álvaro Cunha Fladimir Barbosa Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2014
ii Resumo: Este trabalho consiste na construção de um protótipo de coletor solar para aquecimento de ar que otimize a transferência de calor para o escoamento. Tal protótipo é baseado em um coletor solar utilizado em um secador de frutas presente na Fazenda Quinta da Estância, e tem como objetivo gerar a maior diferença de temperatura do fluido que escoa em seu interior, recebendo calor de um conjunto de lâmpadas incandescentes e tendo o escoamento impulsionado por um ventilador que gira a uma frequência constante de 20 Hz. O protótipo foi construído utilizando materiais encontrados no mercado, sendo eles chapa de aço galvanizado, chapa de cobre, lã de rocha e vidro. Medidas de temperatura devem ser tomadas para comprovar o funcionamento do protótipo, utilizando termistores NTC para medidas de temperatura e um cooler de computador para obter medidas de vazão. O protótipo gerou uma diferença de temperatura de 9 C e a vazão que escoa em seu interior nessas condições foi de 92,35 m³/h, transferindo um total de 392,82 J de calor para o escoamento, tornando esse protótipo uma alternativa mais eficiente de coletor solar quando comparado a um de placa plana simples. Palavras chave: Coletor Solar, escoamento aquecido, protótipo, transferência de calor
iii Abstract: This work consists of the construction of a solar collector for air heating prototype to optimize the heat transfer to the flow. This prototype is based on a solar collector used in Fazenda Quinta da Estância fruit dryer, and aims to generate greater temperature difference of the fluid flowing inside, receiving warmth from a set of incandescent lamps and with the flow driven by a fan that rotates at a constant frequency of 20 Hz. The prototype was built with materials found in the market, they are galvanized steel, copper plate, rock wool and glass. Temperature measures should be taken to check the operation of the prototype, using NTC thermistors for temperature measurements and a computer cooler for flow measurements. The prototype generated a temperature difference of 9 C and the flow rate inside these conditions was 92.35 m³/h, transferring a total of 392.82 J of heat to the flow, making this prototype a more efficient alternative when compared to a simple flat plate solar collector. Keywords: solar collector, heated flow, prototype, heat transfer
iv ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1-1: UNIDADE PARA SECAGEM DE FRUTAS. RETIRADO DE HTTP://WWW.GESTE.MECANICA.UFRGS.BR/MEDTERM/TRABALHOFINAL_SECADOR.HTML 1 FIGURA 4-1: MONTAGEM DO COLETOR 4 FIGURA 4-2: PROTÓTIPO MONTADO 5 FIGURA 4-3: CHAPAS DE COBRE DOBRADA 6 FIGURA 4-4: CHAPA DE COBRE PINTADA 7 FIGURA 4-5: DIRECIONADORES DO ESCOAMENTO 7 FIGURA 4-6: SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ENTRADA (ACIMA) E SAÍDA (EMBAIXO) 8 FIGURA 4-7: MONTAGEM DO PROTÓTIPO NA BANCADA DE TESTE 9
v ÍNDICE DE TABELAS TABELA 5-1: CALIBRAÇÃO DO MEDIDOR DE VAZÃO 10 TABELA 5-2: MEDIDAS DA CALIBRAÇÃO DO NTC DE SAÍDA 11 TABELA 5-3: MEDIDAS DA CALIBRAÇÃO DO NTC DE ENTRADA 11 TABELA 5-4: INCERTEZAS DAS MEDIÇÕES 13
vi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS a Coeficiente genérico [adimensional] b Coeficiente genérico [adimensional] c Coeficiente genérico [adimensional] Cp Calor específico a pressão constante [J/(kg.K)] Kp Coeficiente de forma [m²] Vazão mássica [m³/s] Diferença de pressão [Pa] Q Calor [J] T Temperatura local [ C] Temperatura referência [ C] Diferença de temperatura [ C] Incerteza da vazão mássica [kg/s] Incerteza propagada [J] Incerteza da temperatura [ C] V Velocidade [m/s] Vazão volumétrica [m³/s] α Coeficiente de Temperatura do PT100 - [ ρ Massa específica [kg/m³]
vii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 2 3. FUNDAMENTAÇÃO... 2 4. CASO... 3 5. RESULTADOS... 9 6. CONCLUSÕES... 14 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 14
1. INTRODUÇÃO O trabalho aqui apresentado foi proposto como uma oportunidade de melhoria para um coletor solar para aquecimento de ar para secagem de frutas presente na Fazenda Quinta da Estância. A Fazenda possui uma unidade secadora de frutas conforme Figura 1-1. Figura 1-1: Unidade para secagem de frutas. Retirado de http://www.geste.mecanica.ufrgs.br/medterm/trabalhofinal_secador.html A Figura 1-1 nos mostra um desenho básico do funcionamento do secador, com ar entrando pelo coletor solar a esquerda inferior do desenho, sendo aquecido pela radiação solar direta e refletida em uma placa, entrando para uma cama de pedras que tem como função manter a temperatura elevada mesmo após o fim do dia, chegando as bandejas de frutas e depois a chaminé. Esse sistema utiliza um coletor formado por uma estrutura externa feita de madeira, uma placa plana metálica em seu interior e uma placa de vidro em seu topo, confinando o ar que escoa em seu interior. Um sistema montado de tal forma apresenta um bom resultado transformando a radiação recebida em calor transferido ao escoamento, mas pode ser otimizado. Assim este trabalho foi um estudo de um protótipo de coletor que consiga aumentar a diferença de temperatura do fluido ao longo do escoamento em seu interior, sem restringir muito a sua velocidade, fazendo com que uma maior quantidade de calor seja transferida ao ar. Este protótipo foi testado em uma bancada onde um escoamento forçado passa em seu interior gerado por um ventilador e o protótipo recebe radiação de um conjunto de lâmpadas incandescentes, isso pra gerar condições mais próximas as de uso e possibilitar a medição de vazão e diferença de temperatura que o protótipo pode gerar. 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Como apresentado por (KALOGIROU, 2004), existem diversos tipos de coletor solar como por placa plana, parabólica composta e lentes de Fresnel, cada um destes apresentando diferentes métodos para avaliar seu desempenho. Aqui focaremos no uso de coletores por placa plana, modelo de mais fácil e barata construção e fácil avaliação de seu desempenho. O uso de placa absorvedora plana em coletores faz com que sua construção seja mais simples, mas a fixação de geradores de irreversibilidades e turbulência fazem com que a troca de calor seja maior, conforme (ESEN, 2008). Desse modo em nosso protótipo optamos por colocar alguns geradores de turbulência com a finalidade de aumentar a troca de calor entre a placa e o escoamento. Ainda, (KARSLI, 2007) demonstra que além dos geradores de turbulência, o aumento da área de troca da placa também faz com que mais calor seja trocado com ar. Assim, nosso protótipo foi projetado pensando em um aumento significativo da área e da turbulência, a fim de gerar a maior diferença de temperatura entre o ar que entra e o que sai do mesmo, sem deixar que as irreversibilidades causem uma perda de carga exagerada, fazendo com que a eficiência diminua drasticamente. 3. FUNDAMENTAÇÃO Para a correta compreensão deste trabalho devemos ter em mente a forma com que um fluido sendo aquecido se porta em um escoamento confinado. O fluido é soprado pelo ventilador que gira a uma rotação constante de 20 Hz, fazendo com que uma vazão mássica constante se instaure ao longo de todo encanamento e também no interior do protótipo. Para tanto consideraremos que não há perda de em todo o trajeto estudado, nos levando a lei da conservação da massa e da energia dada por (1): sendo a massa específica (kg/m³), a vazão volumétrica do escoamento (m³/s). Sabendo disso podemos medir a vazão em qualquer ponto, conhecendo as propriedades do fluido naquele ponto. Tais características são a massa específica e vazão volumétrica. Podemos retirar a massa específica de tabelas termodinâmicas, mas para determinar a vazão necessitaremos de outras equações, que são escolhidas conforme o tipo de medidor que está sendo usado. Para uma placa de orifício, que será um dos instrumentos de medida de vazão nesse sistema, teremos (2): onde é a velocidade média do escoamento naquela seção (m/s) e é o coeficiente de forma (m²), encontrado experimentalmente para cada placa. Assim, para definir a velocidade do fluido, ainda necessitaremos de mais uma equação que nos forneça uma relação com a medida de diferença de pressão obtida do medidor de placa de orifício. Essa equação é dada por (3): (2) (1) (3) sendo a diferença de pressão (Pa) entre os dois pontos medidos na placa de orifício. Uma vez com os dados de vazão poderemos determinar qual a quantidade de calor é transferida para o fluido ao longo da placa, usando a equação da transferência de calor para um fluído em movimento, dada por (4): 2
(4) onde é o calor transferido (J), é o calor específico a pressão constante (J/(kg.K)) e é a diferença de temperatura em C. A obtenção de temperaturas deve ser feita através da aplicação de curvas de utilização de sensores, que fazem a correspondência entre a resistência elétrica medida por um multímetro e o valor de temperatura no ambiente. Essas curvas podem ser tiradas de equações como (5): (5) onde, é o coeficiente de temperatura do sensor ( - ), é a resistência no instante medido (Ω), é a resistência de referência (Ω), é a temperatura no instante medido ( C) e é temperatura de referência ( C). Essa é a equação que rege o comportamento de um sensor PT100. Outra equação importante é a equação de Steinhart-Hart, que rege o comportamento de termistores NTC, e é dada por (6): onde, a, b e c são valores adimensionais. A medida da quantidade de calor transferido será a principal para esse projeto, tendo em vista a sua aplicação. Ela faz uma ligação entre a quantidade de fluido que passa pelo protótipo e a diferença de temperatura que esse consegue criar no escoamento. Além disso, necessitaremos conhecer a incerteza associada às medições usadas parar o cálculo, para tanto usaremos a equação da propagação de erros adaptada para esse estudo, dada por (7): (6) (7) onde, é a incerteza propagada (J) e é a incerteza da medição das variáveis independentes vazão mássica e temperatura. 4. CASO Tendo em vista o objetivo traçado para este trabalho, optamos por criar um protótipo que conseguisse gerar uma grande variação na temperatura do ar entre o coletor de admissão e de exaustão, com um aumento significativo da área da chapa trocadora de calor e inserindo perturbadores de fluxo sobre as mesmas, a fim de gerar maior turbulência no escoamento. Em contrapartida, essas mudanças também fazem com que o escoamento perca muita velocidade. A forma final do protótipo é composta por uma chapa de alumínio dobrada, que serve de estrutura para o protótipo, uma camada de lã de rocha, que irá isolar termicamente e dar sustentação para a estrutura interna, uma chapa dobrada em U, que delimita e evita perdas do escoamento, uma chapa pintada dobrada em V, que será responsável pela absorção da radiação das lâmpadas e aquecimento do ar através da convecção, chapas planas, coladas na chapa dobrada a fim de aumentar a turbulência, e vidro plano, para confinar o fluxo de ar e permitir a entrada de radiação. O protótipo encontra-se na Figura 4-1. 3
Figura 4-1: Montagem do coletor Na Figura 4-1 fica evidente a fácil montagem do protótipo. A figura mostra o protótipo montado com todos os seus componentes. 4
Figura 4-2: Protótipo montado Fica claro na Figura 4-2 a posição de cada componente da montagem, mas a escolha de cada um deles se deu por suas propriedades, termodinâmicas e estruturais, assim como sua função frente ao que é proposto nesse protótipo. A escolha da chapa externa foi pela facilidade pra adquirir o material e a boa rigidez que dá ao sistema, mas tem como ponto fraco a grande condutividade do aço galvanizado. Esse ponto é corrigido pela lã de rocha, que é um excelente isolante térmico, evitando que o calor absorvido pelo ar seja perdido no decorrer do escoamento para as paredes externas do protótipo. 5
A chapa dobrada no interior é principal responsável pelo aumento da temperatura do fluido e necessita de uma grande área de troca e absorção de calor, que é criada pelas dobras em V, que aumentam em quatro vezes sua área quando comparada a uma chapa plana. Ela é feita de cobre, que por sua grande condutividade pode transferir com facilidade a maior parte do calor absorvido pelas lâmpadas. Sua forma está apresentada na Figura 4-3. Figura 4-3: Chapas de cobre dobrada A Figura 4-3 mostra uma forma intermediária das placas de cobre, uma vez que elas recebem mais um processo. Essa chapa é pintada de preto, como mostra a Figura 4-4, fazendo com que toda a radiação recebida seja absorvida e emitida, evitando qualquer reflexão. Isso se torna importante para aumentar o rendimento do protótipo. 6
Figura 4-4: Chapa de cobre pintada A Figura 4-4 mostra as chapas de cobre dobradas e pintadas, mas essas não são as únicas responsáveis pela eficiência do protótipo. Os direcionadores de escoamento, mostrados na Figura 4-5, também aquecem o fluido através de convecção de calor após absorção da radiação incidente, mas tem como sua principal função aumentar a turbulência do escoamento, aumento o coeficiente convectivo ao longo de toda a placa trocadora de calor. Figura 4-5: Direcionadores do escoamento 7
Para medir a diferença de temperatura gerada pelo protótipo e vazão do escoamento foi necessário criar um sistema para medição dos mesmos. Para a medição da vazão usamos um sistema formado por um cooler de computador fixo em um tubo de 100 mm de diâmetro, que será fixado após o coletor de exaustão. Desse modo o escoamento passará pelas pás do cooler fazendo com que esse gire em uma velocidade proporcional aquela do próprio escoamento. Com o giro das pás será gerada uma diferença de potencial nos fios de alimentação do cooler que será medida por um multímetro. Para a medição da temperatura optamos por usar dois termistores NTC de 5kΩ, o primeiro posicionado junto ao coletor de admissão e o segundo junto ao cooler medidor de vazão. Assim, teremos medidas mais precisas para determinar a vazão mássica de ar, que depende da temperatura. A escolha desses sensores se deu pelo seu baixo custo, facilidade de se encontrar no mercado e faixa de operação. A montagem fica mais evidente na Figura 4-6. Figura 4-6: Sistema de medição de entrada (acima) e saída (embaixo) A Figura 4-6 mostra os sensores instalados para adquirir os dados de temperatura e vazão do escoamento. O sistema de cima é formado apenas pelo termistor NTC que será instalado na entrada do escoamento, enquanto o sistema de baixo possui também o medidor de vazão instalado. A montagem de todo o sistema pode ser vista na Figura 4-7. 8
Figura 4-7: Montagem do protótipo na bancada de teste A Figura 4-7 mostra o sistema montado na bancada de teste, sendo irradiado pelo banco de lâmpadas. Após a montagem do protótipo na bancada foi possível retirar os dados expostos nos resultados. Antes de iniciar os testes do protótipo foi necessário primeiro calibrar os sensores. Para a calibração do cooler, o protótipo foi montado na bancada e está acionada nas mesmas condições de uso. O ventilador foi colocado em três rotações, que geraram três diferenças de pressão na placa de orifício, medidas por um tubo U, e três diferenças de potencial no cooler medidas por um multímetro digital. A calibração foi feita com o auxílio de um sensor PT100 parar referência. O procedimento de calibração consiste em colocar o NTC e o PT100 imersos em um mesmo ambiente com mesma temperatura, ler as medidas de resistência elétrica desses dois sensores, fazer a correspondência entre a resistência do PT100 e a temperatura, através da equação (X), e por fim corresponder esses valores de temperatura com os valores de resistência do NTC para obter sua curva de utilização. Para a calibração do NTC de entrada utilizamos três temperaturas, a temperatura ambiente no laboratório, temperatura da água recém-saída da torneira, e água levemente aquecida, enquanto para o NTC de saída as três temperaturas medidas foram retiradas de um ambiente de água aquecida. 5. RESULTADOS Os resultados foram obtidos por meio do uso de dois termistores NTC de 5kΩ e tolerância de 5%, calibrados a partir de um PT100 cedido pelo laboratório LETA, sendo cada um desses termistores calibrado para uma temperatura próxima a sua faixa de atuação, posicionados um na saída do protótipo e outro na entrada do mesmo. Desse modo o termistor posicionado na entrada foi calibrado para temperaturas próximas a 20 C e o da saída para uma temperatura de aproximadamente 35 C. Como a faixa de utilização desses NTCs é de -35 a 155 C sua escolha se mostrou apropriada. 9
A medição da vazão se deu por meio de um cooler de computador, usado de maneira inversa a que foi fabricado para que gere uma diferença de potencial elétrico quando posto a girar em velocidade proporcional a velocidade do fluido sob análise. A calibração foi feita utilizando como referência a placa de orifício presente no laboratório. Através das Equações 1 a 3 e conhecendo o valor de (0,001286 m²) foi possível determinar a vazão do escoamento nas três situações, o que é mostrado na Tabela 5-1. Tabela 5-1: Calibração do medidor de vazão Frequência do ventilador (Hz) Tensão (mv) Diferença de pressão (Pa) Velocidade (m/s) Vazão (m3/h) 17,94 2,4 230,535 17,65586098 81,739574 20 2,463 294,3 19,94874583 92,35471367 23,93 2,504 412,02 23,60367437 109,2755709 Os resultados da placa demonstrados na Tabela 5-1 foram referência para os resultados do cooler. Estes foram Processados no software Curve Expert, para encontrar uma curva que se encaixasse bem nos valores coletados e gerasse uma equação capaz de definir o comportamento desse medidor na faixa onde ele vai ser utilizado, apresentada no Gráfico 5-1, sendo essa usada como curva de utilização do sensor. Gráfico 5-1: Curva de utilização do cooler 10
O Gráfico 5-1 foi criado a partir de um polinômio de segundo grau, de forma: onde, é variável dependente, aqui será sendo vazão volumétrica (m³/h), a, b e c possuem valores a=1,36e+4, b= -1,12E+4 e c= 2,35E+3, e x é a variável independente, aqui sendo a diferença de potencial (V). Assim os valores de tensão medidos no teste poderão ser relacionados a sua vazão correspondente. Através da calibração dos termistores também foi possível criar curvas de utilização parar cada um deles. Primeiro foi necessário determinar a temperatura de cada medida, utilizando a equação (5) e os valores de resistência do PT100. Os valores de temperatura, resistência do PT100 e resistência dos NTC estão na Tabela 5-2 e Tabela 5-3. Tabela 5-2: Medidas da calibração do NTC de saída RESISTÊNCIA PT100 (Ω) TEMPERATURA ( C) RESISTÊNCIA NTC (kω) 118,6 47,45 2,15 114,8 37,76 3,1 112,95 33,04 3,73 (7) Tabela 5-3: Medidas da calibração do NTC de entrada RESISTÊNCIA PT100 (Ω) TEMPERATURA ( C) RESISTÊNCIA NTC (kω) 108,1 20,66 7,65 110,05 25,64 6,82 112,85 32,78 4,27 Os valores presentes nas Tabela 5-2 e Tabela 5-3 foram utilizados para gerar as curvas de utilização desses sensores, também com o software Curve Expert, tendo como resultado o Gráfico 5-2 e o Gráfico 5-3. 11
Gráfico 5-2: Curva de utilização do NTC de entrada 12
Gráfico 5-3: Curva de utilização do NTC de saída Utilizando a equação (6) para criar o Gráfico 5-2 e o Gráfico 5-3 teremos os valores: a=0,19408, b=-0,15528 e c=0,02021 para o NTC de entrada a=0,01502, b=0,00603 e c=0,0032 para o NTC de saída. No dia da calibração, encontramos um valor de 3,59 kω no medidor de saída instalado no protótipo, demonstrando uma temperatura de 34 C e um ganho de 9 C em comparação com a temperatura ambiente. Utilizando os dados de temperatura ambiente, temperatura na saída do protótipo e vazão com o ventilador funcionando a uma rotação de 20 Hz, através das equações (1) a (4) e considerando Cp do ar 1,014 (kj/kg.k) obtivemos uma transferência de calor para o ar de 392,82 J. Ainda é necessário encontrar as incertezas de medição associadas a essas medidas. Tanto as curvas do medidor de vazão quanto para os medidores e temperatura apresentaram um desvio padrão para os valores obtidos menor 0,1E-06, mostrando-se resultados excelentes do ponto de vista da incerteza de medição, fazendo com que as incertezas venham da própria medida do multímetro. Para os valores medidos geramos a Tabela 5-4 com os dados de incerteza do multímetro para tais medidas. Tabela 5-4: Incertezas das medições Medida Incerteza relativa Incerteza absoluta 3,59 kω 0,313927577% 0,01127 kω 2,463 V 0,070300447% 0,001732 V Os valores da Tabela 5-4 foram obtidos a partir da aplicação das incertezas presentes no manual do multímetro. Esses valores foram usados para obter o erro da quantidade de Calor, chegando a um resultado de 1,23 J. Este valor pode ser considerado baixo devido a natureza dos medidores utilizados. 13
6. CONCLUSÕES O protótipo criado se mostrou de grande facilidade de construção, devido a facilidade com que se encontram seus elementos constituintes e poucos processos envolvidos em sua montagem, fazendo com que um protótipo semelhante seja facilmente construído em qualquer local. Um ponto negativo foi seu alto custo para aquisição dos constituintes do mesmo, mas esse custo se paga uma vez que o protótipo se encontre em uso e acelere o processo de secar frutos para o qual ele foi inicialmente imaginado. Os resultados apresentados foram de encontro àquilo que foi proposto no início deste trabalho. Uma diferença de temperatura de 9 C mostrou claramente a influência do aumento da área superficial da chapa trocadora de calor e dos geradores de turbulência sobre a troca de calor criada pelo protótipo, gerando uma transferência de 392,82 J de calor para o ar. O ponto negativo foi a grande perda de carga criada pelo sistema, essa também esperada no início do trabalho, o que fez com que a vazão para a situação de operação fosse de 92,35 m³/h.. Mesmo considerando esse resultado o protótipo ainda pode ser considerado uma boa alternativa ao coletor solar com placa plana. Também foi possível demonstrar a facilidade de criação de um medidor de vazão através de um item de baixo custo e facilmente encontrado, que é o cooler de calibração. Isso só foi possível devido a uma boa calibração feita previamente ao ensaio do protótipo. Considerando todos esses aspectos, o rumo a ser tomado em futuros trabalhos é a criação de novos protótipos, usando materiais mais baratos e que gerem uma perda de carga menor, mas ainda gerando uma grande diferença de temperatura entre o ar que entra e que sai do coletor. Analisar diferentes medidores de vazão pode auxiliar nesse processo, uma vez que o corpo do cooler obstrui muito a passagem do escoamento. Seguindo essa linha de raciocínio um medidor do tipo Venturi mostra-se bastante adequado. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ESEN, HIKMET. 2008. Experimental energy and exergy analysis of a double-flow solar ai rheater having different obstacles on absorber plates. Building and Environment 43. 43, 2008, pp. 1046-1054. KALOGIROU, SOTERIS A. 2004. Solar thermal collectors and applications. Progress in Energy and Combustion Science. 30, 2004, pp. 231-295. KARSLI, SULEYMAN. 2007. Performance analysis of new-design solar air collectors for drying applications. Renewable Energy 32. 32, 2007, pp. 1645-1660. 14
Capacidade de leitura na faixa indicada Perda de carga Incertezas Criatividade Conformidade com as normas de redação do concurso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15