UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE CONSTRUÇÃO, INSTRUMENTAÇÃO E ENSAIO DE UM ACUMULADOR DE CALOR por Caymo da Silva Jr. Grégori Fronza Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider e Letícia Jenisch Rodrigues pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2014
RESUMO O presente trabalho tem como objetivo ilustrar a fabricação, instrumentação e resultados de operação de um acumulador de calor sensível, pelo qual passa uma corrente de ar forçada. O acumulador de calor consiste em duas placas planas de 132x100x5 mm unidas por 13 cilindros com 11 mm de diâmetro e 250 mm de comprimento, formando uma matriz tubular. Todo o conjunto é construído em resina poliéster cristal. O acumulador foi ensaiado no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Medições de temperatura foram realizadas com a utilização de um termopar tipo T e vazão com a utilização de uma placa de orifício, que passou por calibração. O acumulador obteve um tempo de resposta de 11min59s e os valores de temperatura e vazão foram 66,31 ºC e 0,221 m³/s, respectivamente. PALAVRAS-CHAVE: acumulador de calor sensível, matriz tubular, calibração placa de orifício
ABSTRACT This paper aims to illustrate the manufacturing, instrumentation and operating results of a sensible heat storage, through which passes a forced air flow. The heat storage consists of two flat plates with 132x100x5 mm joined by 13 cylinders with 11 mm in diameter and 250 mm in length, forming a tubular die. The entire assembly is manufactured in crystal polyester resin. The heat storage was tested in Thermal Testing Laboratory and Aerodynamic (LETA) of the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). Temperature measurements were made using a T- type thermocouple and flow rate with the use of an orifice plate, who was calibrated. The heat storage achieved a 11min59s response time and temperature and flow rate were 66.31 C and 0.221 m³/s, respectively. KEYWORDS: sensible heat storage, tubular die, calibration orifice plate
SUMÁRIO Resumo... 2 Abstract... 3 Lista de Símbolos... 5 Introdução... 6 Fundamentos... 6 Técnicas Experimentais... 7 Resultados... 10 Conclusão... 11 Referências Bibliográficas... 11
LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Grandeza Unidade h Coeficiente convectivo de troca de calor W/m²K k Condutividade Térmica W/mK Nu Número de Nusselt Adimensional q Potência térmica transmitida ao escoamento W Re Número de Reynolds Adimensional V Vazão m³/s p Diferencial de pressão Pa ρ Massa específica kg/m³
1. INTRODUCÃO Os acumuladores de calor são instrumentos capazes de armazenar energia térmica durante um período de tempo para liberá-la lentamente mais tarde. Podem ser utilizados com diversas finalidades, sendo muito comum a utilização em sistemas de aquecimento doméstico, onde existe acumulação de calor em horários de baixo custo da energia elétrica para liberação em horários de alto custo da energia elétrica. O trabalho teve como objetivo a construção e ensaio de um acumulador, utilizando 1 kg de resina poliéster cristal, com o menor tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica possível, quando submetido a uma corrente de ar aquecida a 70 ºC, além do desenvolvimento da instrumentação necessária para o ensaio (medição de temperatura e vazão). No decorrer do trabalho são apresentados os métodos e materiais utilizados na construção e instrumentação do acumulador, assim como os resultados obtidos. 2. FUNDAMENTAÇÃO Na construção do acumulador, foi utilizada a teoria de escoamento externo cruzado em matrizes tubulares. As fileiras de tubos estão alternadas na direção da velocidade do fluido, conforme figura 1. Figura 1 - Escoamento cruzado com tubos alternados Os tubos localizados nas primeiras fileiras atuam como uma malha geradora de turbulência, aumentando o coeficiente de transferência de calor nos tubos localizados nas colunas seguintes. O coeficiente de transferência de calor médio é obtido através da equação 1: Nu D hl = C2C1 Rem D = (1) k Valores das constantes C e m podem ser encontrados nas tabelas das páginas 273 e 274 do livro Fundamentos de transferência de calor e massa, citado nas referências. O calor transferido pode ser encontra pela equação 2: q = N( hπ D T lm ) (2)
Onde N é o número total de tubos da matriz, D é o diâmetro dos tubos da matriz e é a média logarítmica das diferenças de temperatura. Na medição de vazão foi utilizada uma placa de orifício, que mede vazão devido à diferença de pressão entre suas faces. Após simplificações da equação de Bernoulli, assumindo que não há diferenças de altura na canalização e que a massa específica é constante, chega-se à equação (3). Tlm V = K 2 p (3) ρ Onde K será determinado experimentalmente ao longo do texto. 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 3.1. Bancada de Ensaios A bancada de testes foi proposta através do edital e montada, conforme figura 2, no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA). Figura 2 - Montagem da bancada de ensaios Conforme edital, o ar ambiente é admitido na bancada de forma forçada por um ventilador, em (1), com velocidade de 3 m/s. Sua vazão é medida por uma placa de orifício do LETA, em (2), e segue para uma segunda seção de ensaio (3) reservada para a instrumentação dos grupos. Essa seção é conectada ao tubo da bancada por meio de 2 luvas. O ar segue para o aquecedor, em (4), que eleva sua temperatura para cerca de 70 ºC. A temperatura e pressão estática do ar são lidas em (5) com instrumentos do LETA. O ar é injetado na seção de ensaio (6) e posteriormente tem novamente sua temperatura e pressão estática lidas em (7), com instrumentos do LETA. Os grupos instalaram seus instrumentos para a medição de temperatura em (8). Desse ponto em diante, o ar segue ainda em um tubo reto até sua descarga do ar para o ambiente. Toda a tubulação da bancada é de PVC com diâmetro de 100 mm, incluindo as luvas de conexão. A seção de ensaio tem as seguintes dimensões: 460x300x155 mm.
3.2. Construção do Acumulador de Calor Os acumuladores propostos tiveram como limitantes, a partir do edital, as dimensões, a massa e o material. As dimensões máximas foram limitadas pela seção de ensaio, citadas anteriormente. A massa permitida foi de 1000 ± 50 g. O material utilizado para toda construção foi resina poliéster cristal, com a ajuda de um catalisador para o processo de cura, com densidade de 1100 kg/m³ a 25 ºC. O acumulador proposto consiste em duas placas unidas por 13 cilindros, conforme figura 3. Figura 3 - Acumulador de calor O objetivo desta geometria é a utilização da teoria de escoamento externo cruzado em matrizes tubulares, que aumenta o coeficiente de transferência de calor por convecção, reduzindo o tempo de resposta. O acumulador utilizado como base para a criação do edital apresentou um tempo de resposta de 15 minutos. A placa foi fabricada com 132x100x5 mm. Colocou-se resina em um recipiente de fundo plano com dimensões maiores que a placa. Após a cura e solidificação, com o auxilio de um estilete, fez-se o recorte nas dimensões apropriadas e a remoção do recipiente. O mesmo processo foi repetido para a fabricação da segunda placa. Com a utilização de uma furadeira, foram feitos furos nas placas, para o encaixe dos cilindros e redução de peso. Os cilindros foram fabricados com 11 mm de diâmetro e 250 mm de comprimento, com o auxilio de mangueiras plásticas de ar condicionado, com diâmetro interno de 11 mm. A resina foi depositada no interior da mangueira. Após a cura e solidificação, com o auxílio de um estilete, fez-se o corte das mangueiras a cada 250 mm e a remoção do cilindro de resina. A massa final do acumulador foi de 1038 g.
3.3. Construção do Medidor de Temperatura O medidor de temperatura foi construído através de um cano de PVC de 100 mm de diâmetro e 500 mm de comprimento. Um furo foi confeccionado no meio do cano para a passagem do elemento sensor. Duas luvas foram adicionadas ao cano, para conexão na bancada de testes. O medidor de temperatura utilizado foi um termopar tipo T previamente calibrado pelo fabricante, que fornece tabela de conversão (Tabela 1) para leitura da temperatura, citada nas referencias. A fixação do termopar no cano foi feita com durepox. Tabela 1 - Conversão mv x ºC C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-60 -2,152-2,185-2,218-2,250-2,283-2,315-2,348-2,380-2,412-2,444-50 -1,819-1,853-1,886-1,920-1,953-1,987-2,020-2,053-2,087-2,120-40 -1,475-1,510-1,544-1,579-1,614-1,648-1,682-1,717-1,751-1,785-30 -1,121-1,157-1,192-1,228-1,263-1,299-1,334-1,370-1,405-1,440-20 -0,757-0,794-0,830-0,867-0,903-0,940-0,976-1,013-1,049-1,085-10 -0,383-0,421-0,458-0,496-0,534-0,571-0,608-0,646-0,683-0,720 0 0,000-0,039-0,077-0,116-0,154-0,193-0,231-0,269-0,307-0,345 0 0,000 0,039 0,078 0,117 0,156 0,195 0,234 0,273 0,312 0,351 10 0,391 0,430 0,470 0,510 0,549 0,589 0,629 0,669 0,709 0,749 20 0,789 0,830 0,870 0,911 0,951 0,992 1,032 1,073 1,114 1,155 30 1,196 1,237 1,279 1,320 1,361 1,403 1,444 1,486 1,528 1,569 40 1,611 1,653 1,695 1,738 1,780 1,822 1,865 1,907 1,950 1,992 50 2,035 2,078 2,121 2,164 2,207 2,250 2,294 2,337 2,380 2,424 60 2,467 2,511 2,555 2,599 2,643 2,687 2,731 2,775 2,819 2,864 70 2,908 2,953 2,997 3,042 3,087 3,131 3,176 3,221 3,266 3,312 80 3,357 3,402 3,447 3,493 3,538 3,584 3,630 3,676 3,721 3,767 90 3,813 3,859 3,906 3,952 3,998 4,044 4,091 4,137 4,184 4,231 100 4,277 4,324 4,371 4,418 4,465 4,512 4,559 4,607 4,654 4,701 110 4,749 4,796 4,844 4,891 4,939 4,987 5,035 5,083 5,131 5,179 120 5,227 5,275 5,324 5,372 5,420 5,469 5,517 5,566 5,615 5,663 130 5,712 5,761 5,810 5,859 5,908 5,957 6,007 6,056 6,105 6,155 140 6,204 6,254 6,303 6,353 6,403 6,452 6,502 6,552 6,602 6,652 150 6,702 6,753 6,803 6,853 6,903 6,954 7,004 7,055 7,106 7,156 160 7,207 7,258 7,309 7,360 7,411 7,462 7,513 7,564 7,615 7,666 3.4. Construção do medidor de vazão Uma placa de orifício foi construída para ser utilizada como medidor de vazão. Dois pedaços de cano PVC de Ø100x250 mm foram unidos com durepox, tendo no meio um CD (orifício de 15mm). Um furo em cada cano, a 50 mm do CD, foi feito para a conexão de uma mangueira com água. O objetivo era utilizar este dispositivo como manômetro de tubo U. A união das mangueiras com o cano foi feita com durepox. Como a placa de orifício foi desenvolvida, foi necessária a calibração da mesma. A calibração do medidor de vazão foi feita através de outro medidor já calibrado. Este medidor calibrado pertencia ao LETA e o processo de calibração foi supervisionado por um integrante do laboratório. Após a montagem do medidor de vazão proposto neste trabalho, variou-se a rotação do motor do ventilador e as alterações nos medidores foram analisadas. Os resultados médios obtidos e
valores utilizados estão informados na tabela 2. Com o equacionamento do medidor calibrado pode-se determinar a vazão do sistema e, portanto, determinar o coeficiente de vazão K do nosso sistema. A vazão medida pelo instrumento, em m³/s, é dada pela equação 4. Tabela 2 - Valores utilizados para determinação de K V Area Transversal [m²] ρ [ar] ρ [água] Gravidade [m/s²] Altura [mm] 0,211 0,00785 1,3 1000 9,81 9,4 V = 0, 000558 2 p (4) ρ 3.5. Incertezas de Medição As incertezas de medição resultam dos instrumentos utilizados na coleta dos resultados. Para a aquisição de temperatura, os erros intrínsecos do termopar, definido pelo fabricante, de ±0,8 ºC e os do multímetro, também definido pelo fabricante, de 0,5% do FE. Para a medição de vazão, os erros referentes a montagem e isolamento da placa de orifício, além do posicionamento dos tubos para coleta da diferença de pressão. Para a placa de orifício, a incerteza tem relação com o coeficiente de descarga corresponde a β%, neste caso, 0,15%. 4. RESULTADOS 4.1. Tempo de Resposta A obtenção do tempo de resposta foi obtida com o auxilio de um cronômetro. A seção de ensaio foi aberta por 5 segundos para colocação do acumulador e o cronômetro disparado. O tempo de resposta foi calculado até a recuperação de 63% da temperatura inicial. O tempo de resposta foi de 11min59s. 4.2. Medição de Temperatura O medidor foi montado na bancada de testes e teve seus equipamentos preparados. Um multímetro foi utilizado para a medição da tensão no termopar. Seguem os dados na Tabela 3. Tabela 3 Medição de Termopar Tensão Temperatura [ºC] Termopar 1,7 mv 42,11 Com a ajuda da tabela do fabricante, a temperatura lida foi de 42,11 ºC. Usou-se uma interpolação linear, pois o valor medido de tensão estava entre dois pontos da tabela. Como o termopar mede diferença de temperatura, somou-se o valor da temperatura do ambiente no momento do ensaio, que era 24,2 ºC. O LETA possui um termômetro calibrado para medição de temperatura ambiente que estava presente junto a bancada. A medição de temperatura total do escoamento foi de 66,31 ºC.
4.3. Medição de Vazão A medição de vazão foi feita com o auxilio do tubo U instalado na placa de orifício. O fluído utilizado era água e após a estabilização do sistema houve uma diferença de altura de coluna d água de 10,4 cm. Com a utilização da equação 4, chegou-se ao valor de vazão de 0,221 m³/s. 5. CONCLUSÃO O objetivo deste trabalho era o de construir e instrumentar um acumulador de calor, sendo este objetivo alcançado. A construção do protótipo foi feita de tal forma a otimizar a transferência de calor. O tempo de resposta apresentado foi menor que o do acumulador de calor utilizado como base para a criação do edital, que foi de 15 minutos. O tempo de resposta medido foi de 11min59s, a temperatura na saída da seção de ensaio foi 66,31 ºC e a vazão volumétrica de 0,221 m³/s. Uma boa correspondência foi obtida entre as medições realizadas e as de referência da bancada de teste. O acumulador e a instrumentação desenvolvida mostraram-se possíveis de utilização na prática. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DEWIT, D.P., INCROPERA, F.P., 2008, Fundamentos de transferência de calor e massa, LTC SCHNEIDER, P.S., Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre, 2012 SCHNEIDER, P.S., Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos, Apostila da disciplina de Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre, 2012 SCHNEIDER, P. S. Edital do trabalho do semestre. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014. http://www.termopares.com.br/milivoltagemttab1/index.asp