UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE DESENVOLVIMENTO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR por Felipe Accetta da Rosa Frederico Scheinpflug Blanco Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, junho de 2014
2 RESUMO Este trabalho apresenta uma tentativa de elevar o desempenho de um coletor solar térmico para aquecimento de ar, muito empregado para a secagem de frutas, mas também podendo ser utilizado para calefação, geração de energia dentre outras funções. Tendo como premissa que o coletor receberá o escoamento de forma forçada por um ventilador com rotação fixa, a vazão é determinada somente pelas perdas de carga geradas pelo coletor e pela instrumentação instalada no sistema. A metodologia utilizada é baseada em aumentar a quantidade de energia absorvida e reduzir a quantidade de energia emitida por radiação e aumentar as trocas térmicas com o ar por convecção através da utilização de tinta para alterar as propriedades de superfície e através da forma da superfície coletora de forma a aumentar a área e alterar a absortividade e emissividade efetivas. O coletor solar é testado no Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da UFRGS em uma bancada de ensaio, onde o coletor recebe a irradiação de um banco de lâmpadas incandescentes posicionado de forma paralela ao coletor. Para a obtenção dos dados físicos, são utilizados sensores de temperatura, do tipo NTC, e de vazão, por arrasto de uma esfera, previamente calibrados por comparação com sensores de referência. Através das medições é possível calcular a magnitude e a incerteza da taxa de transferência de calor para o ar. O coletor transfere 581,2 J/s de calor para o ar, com o escoamento a 3,98 m/s. A fim de obter a eficiência deste coletor solar, é necessário conhecer a densidade média do fluxo radiante proveniente da bancada de lâmpadas, porém isso não foi possível devido a falta de instrumentação apropriada. Por fim, o coletor estudado mostra-se capaz de transferir boa quantidade de energia ao escoamento de ar e possivelmente supera o desempenho de um coletor solar de placa plana. Palavras-chave: Coletor solar térmico para aquecimento de ar, taxa de transferência de calor, ensaio, sensores de vazão e temperatura.
3 ABSTRACT This paper presents an attempt to raise the performance of a solar thermal collector for heating air, very used for drying fruit, but can also be used for heating, power generation, among other functions. With the premise that the collector will receive the flow forcefully by a fan at a fixed speed, the flow rate is determined only by the pressure drop generated by the collector and the instrumentation installed in the system. The methodology is based on increasing the amount of energy absorbed and reducing the amount of energy emitted by radiation and increase heat exchange with air convection using paint for changing the surface properties and by changing the shape of the collecting surface to increase the area and change the effective absorptivity and emissivity. The solar collector is tested at the Laboratory of Thermal and Aerodynamic Studies (LETA) at UFRGS in a testing bench, where the collector receives the radiation from a bench of incandescent bulbs positioned parallel to collector. For obtaining the physical data, it is used temperature sensors, NTC, and a flow sensor, by dragging a sphere, calibrated by comparison with reference sensors. Through the measurements it is possible to calculate the magnitude and uncertainty in the rate of heat transfer to the air. The collector transfers 581.2 J / s of heat to the air, with a flow speed of 3.98 m/s. In order to obtain the efficiency of the solar collector, it is necessary to know the average density of the radiant flux from the bench of lamps, however this was not possible due to lack of appropriate instrumentation. Finally, the collector studied is shown to be able to transfer good amount of energy to the airflow and possibly surpasses the performance of a solar flat-plate collector. Keywords: Solar thermal collector for air heating, heat transfer rate, experiment, thermal and flow sensors.
4 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Grandeza Unidade α Absortividade - ρ Massa específica kg/m³ ρ ar Massa específica do ar kg/m³ C p Calor específico à pressão constante kj/(kg.k) D Diâmetro do tubo m G Irradiação que atinge uma superfície W/m² G abs Irradiação absorvida por uma superfície W/m² s Desvio padrão experimental - T Temperatura C ΔT Diferença de temperatura C n Número de amostras - v Velocidade m/s Vazão volumétrica l/s Vazão mássica kg/s Taxa de calor kj/s
5 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 6 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 6 3. FUNDAMENTAÇÃO... 7 3.1. Mecânica dos Fluidos... 7 3.2. Transferência de calor... 7 3.3. Incerteza de Medição... 7 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS... 8 4.1. Montagem do Coletor Solar... 8 4.2. Sistemas de Medição... 8 4.2.1. Sensores de Temperatura... 8 4.2.2. Sensor de Vazão... 10 4.3. Medição na Bancada... 12 5. RESULTADOS... 12 6. CONCLUSÕES... 13
6 1. INTRODUÇÃO A ideia central de um coletor solar é o aquecimento de uma superfície opaca por radiação e posterior transferência de calor desta placa para o ar por convecção. Devido à simplicidade destes princípios, e pela natureza intuitiva dos fenômenos físicos envolvidos, coletores solares são largamente utilizados e estudados. A criação de um protótipo de coletor solar para aquecimento de uma corrente de ar com o objetivo de obter o melhor desempenho na transferência de calor é complicado, visto que o processo é complexo. Tendo em vista que o coletor teve como destino final a secagem de frutos, sob operação em convecção natural e que a temperatura de saída não deveria exceder 71ºC pois há risco de degradação dos frutos [Ahmed-Zaid et al, 1999] o foco da construção foi em obter baixa perda de carga aliada à uma geometria favorável à absorção da radiação incidente. De forma a padronizar e permitir comparações com outras configurações construídas as dimensões do coletor foram definidas e fixadas em um metro de comprimento, trinta centímetros de largura e quinze centímetros de altura. Uma bancada de ensaio foi montada conforme o esquema da Figura 1. Figura 1 Esquema de montagem da bancada de ensaios A fim de se testar os coletores de forma controlada, os mesmos foram posicionados na horizontal sob um banco de lâmpadas incandescentes paralelo ao coletor com a função de impor um fluxo de radiação incidente. Um ventilador com rotação constante faz a admissão de ar ambiente. Para a obtenção do calor adquirido pelo ar no coletor, sensores de temperatura foram pos i- cionados na entrada e na saída do coletor, além de um sensor de vazão instalado na tubulação. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Visando uma maior eficiência, diferentes geometrias e materiais vêm sendo analisados para um aumento do coeficiente convectivo. Coletores com padrões em Vês são largamente utilizados para aumentar a área efetiva, sendo o ângulo de 55º definido como ótimo por [DUFFIE E BECKMAN,1991] para maior absortividade e menor emissividade. Além disso, um aumento da área efetiva pode ser obtido com o uso de aletas no coletor. Estas aletas se tornam obstáculos no escoamento, aumentando a perda de carga e a turbulência. Um aumento da turbulência ocasiona um maior coeficiente convectivo por alterar a camada limite [AKPINAR e KOÇYIĞIT, 2010]. A correlação destes fatores para encontrar a geometria ideal do coletor depende do propósito para o ar aquecido, ou seja, da temperatura e umidade requeridas no processo de destino [AHMED-ZAID ET AL, 1999].
7 3. FUNDAMENTAÇÃO 3.1. Mecânica dos Fluidos O cálculo da vazão volumétrica é feito através da Equação 1 Onde D representa o diâmetro da tubulação e v é a velocidade média do escoamento. A vazão mássica por sua vez pode ser obtida utilizando a vazão volumétrica e a massa específica do fluido, ρ, conforme a Equação 2. 3.2. Transferência de calor A quantidade de calor transferida para o ar pode ser expressa por Onde C p é o calor específico à pressão constante de um fluido e ΔT a diferença de temperatura no fluido entre o inicio e o fim do processo. Segundo Incropera, 2011, a emissividade é uma propriedade radiante da superfície, pode n- do ser definida como a razão entre a radiação emitida pela superfície e a radiação emitida por um corpo negro à mesma temperatura. A absortividade por sua vez é uma propriedade q ue determina a fração da irradiação que é absorvida por uma superfície, conforme mostrado na Equação 4. 3.3. Incerteza de Medição Em um procedimento experimental, os valores medidos são sempre aproximações do valor verdadeiro. Quando se obtém algum dado por medição, deve-se considerar não apenas o valor da grandeza medida, mas também o quanto este valor difere do valor real. Considera-se assim, a incerteza de medição como quanto o melhor valor da grandeza pode diferir do valor verdadeiro, em termos de probabilidade [Schneider, 2007]. Para calcular incertezas combinadas, Kline e McClintock [HOLMAN, 1996] fornece a seguinte equação para o cálculo da incerteza propagada, U r, (1) (2) (3) (4) (5) Sendo V a equação da grandeza na qual deseja-se obter a incerteza, x n as variáveis independentes e u n o desvio padrão de cada variável independente. O ajuste de dados experimentais é uma técnica que permite a interpolação de dados através de uma função ajustada. O desvio padrão do ajuste é dado por [Schneider, 2007]
8 (6) Onde y i é o valor medido, da amostra. é o valor calculado de pela função de ajuste e n é o tamanho 4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 4.1. Montagem do Coletor Solar Interessado em uma construção simples, optou-se pela utilização de uma chapa de alumínio de 0,5 mm de espessura conformada em um perfil de Vês que, de acordo com Duffie e Beckman, 1991, resulta em uma maior absortividade efetiva e menor emissividade efetiva. Após conformada a chapa de alumínio, foi aplicada uma camada de tinta para metais de cor preta na intenção de elevar o coeficiente de absortividade. A placa metálica fica instalada no interior de uma caixa construída de madeira e fechada na sua parte superior por um vidro de 3 mm de espessura. O vidro permite a passagem de grande parte da radiação emitida das lâmpadas inca n- descentes ao mesmo tempo comportando-se como uma superfície opaca para a radiação infravermelha. A Figura 2 mostra a construção do coletor. Figura 2 Coletor solar térmico para aquecimento do ar 4.2. Sistemas de Medição 4.2.1. Sensores de Temperatura Para medir a variação da temperatura no coletor optou-se pela utilização de dois sensores do tipo NTC, um localizado na admissão do coletor e o outro na exaustão. Cada um passou por uma calibragem por comparação com um PT100 previamente calibrado. O procedimento de calibração consistiu em utilizar diferentes relações de mistura de água quente e fria para a obtenção de diferentes pontos de medição, lendo a resistência no NTC e relacionando com a temperatura
Resistência do NTC (kohms) Resistência do NTC (kohms) 9 medida no PT100. As medidas realizadas para a calibração estão representadas nos gráficos das Figuras 3 e 4. 7 6 5 4 3 2 1 Figura 3 Curva de calibração do NTC na admissão Curva de Calibração do NTC na admissão 0 15.00 35.00 55.00 75.00 Temperatura ( C) Pontos Medidos Exponencial (Pontos Medidos) y = 15,809e -0,039x R² = 0,9901 7 6 5 4 3 2 1 Figura 4 Curva de calibração do NTC na exaustão Curva de Calibração do NTC na exaustão 0 15.00 35.00 55.00 75.00 Temperatura ( C) Pontos Medidos Exponencial (Pontos Medidos) y = 15,146e -0,038x R² = 0,9871 Com os pontos definidos, testou-se correlações com funções linear, polinomial, exponenc i- al, potência e logarítmica e, dentre elas, a exponencial apresentou boa correlação e o melhor a- juste para os pontos medidos sendo, portanto escolhida como a curva de calibração. Para facilitar o uso do NTC, é desejável inverter a curva de calibração obtendo a curva de utilização, mostrada nas Figuras 5 e 6.
Temperatura ( C) Temperatura ( C) 10 Figura 5 Curva de utilização do NTC na admissão Curva de Utilização do NTC na admissão 75.00 65.00 55.00 45.00 35.00 25.00 Pontos Medidos Logaritmo (Pontos Medidos) y = -25.57ln(x) + 71.041 R² = 0.9901 15.00 0 2 4 6 8 Resistência do NTC (kohms) Figura 6 Curva de utilização do NTC na exaustão Curva de Utilização do NTC na exaustão 75.00 65.00 55.00 45.00 35.00 25.00 Pontos Medidos Logaritmo (Pontos Medidos) y = -25.94ln(x) + 71.089 R² = 0.9871 15.00 0 2 4 6 8 Resistência do NTC (kohms) De acordo com o fabricante, a incerteza do multímetro para leitura de resistência elétrica é dada por (0,4%+1d). No ensaio, o menor dígito sempre se manteve 0,001 kohms, portanto a incerteza causada pelo multímetro foi (0,4%+0,001 kohms). 4.2.2. Sensor de Vazão Para medir a vazão foi criado um sensor constituído em uma esfera de isopor de 25 mm de diâmetro fixada em uma haste de aço. A haste encontra-se fixada em um eixo que permite a rotação conforme a força de arrasto causada pelo escoamento do ar na esfera. Um transferidor instalado junto a haste permite a leitura do ângulo. O medidor de vazão está ilustrado na Figura 7.
Ângulo (graus) 11 Figura 7 Sensor de vazão A calibração foi feita por comparação com uma placa de orifício previamente calibrada. Os dados dessa calibração são apresentados no gráfico da Figura 8. Figura 8 Curva de calibração do sensor de vazão Curva de Calibração do Sensor de Vazão 140 130 120 110 100 90 80 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 Vazão (l/s) Pontos Medidos y = 1.553x + 68.07 R² = 0.9984 Fazendo um ajuste de curva, encontrou-se uma boa correlação com a função linear e, fazendo a inversão da equação obtivemos a curva de utilização exibida da Figura 9.
Vazão (l/s) 12 50.00 Figura 9 Curva de utilização do sensor de vazão Curva de Utilização do Sensor de Vazão 40.00 30.00 20.00 Pontos Medidos y = 0.6429x - 43.719 R² = 0.9984 10.00 0.00 80 90 100 110 120 130 140 Ângulo (graus) Duas fontes de incertezas foram identificadas no valor da vazão, a incerteza do ajuste, e a resolução do transferidor usado para medir o ângulo que é de 1 grau. Foi utilizada a Equação 6 para a obtenção do desvio padrão do ajuste, sendo obtido o valor de ±0,322 l/s de incerteza. Para a incerteza na medida com o transferidor multiplicou-se o inverso da sensibilidade pela resolução, obtendo-se ±0,643 l/s. Usando a Equação 5 encontramos a incerteza da vazão que foi de ±0,719 l/s. 4.3. Medição na Bancada Para iniciar a medição do desempenho do coletor, o mesmo foi instalado na bancada de ensaio e o banco de lâmpadas incandescentes foi ligado, aguardando-se até o aquecimento e estabilização da temperatura no sistema. Para facilitar as medidas e aumentar a resolução do experimento, utilizou-se o ventilador em alta rotação, sendo definida a alimentação do motor do ventilador em 20 Hz. Durante o período de aquecimento do coletor, o vidro que cobre a parte superior do coletor quebrou. Foi notado posteriormente que a fita adesiva dupla face posta entre o vidro e a caixa de madeira para auxiliar no isolamento aderiu fortemente a madeira e ao vidro, provavelmente restringindo a dilatação do vidro e causando a falha, ilustrada na Figura 12. Figura 12 Protótipo na bancada de testes e falha no vidro. 5. RESULTADOS Os resultados das medições realizadas na bancada utilizando os sensores NTC e o sensor de vazão, previamente calibrados, podem ser visualizados na Tabela 1
13 Tabela 1 Resultado das medidas realizadas durante o ensaio Resistência medida no NTC de entrada (kohms) Resistência medida no NTC de saída (kohms) Ângulo medido no sensor de vazão (graus) 6,680 3,515 115 Tendo obtido os valores de resistência dos NTC, utilizou-se as suas respectivas curvas de utilização (Figura 6 e Figura 7) para obter os valores em temperatura. Os dados obtidos são apresentados na Tabela 2 a seguir. Tabela 2 Cálculo das temperaturas de entrada e saída Resistência (kohms) Temperatura ( C) Incerteza ( C) NTC na entrada 6,680 22,48 ±0,11 NTC na saída 3,515 38,48 ±0,11 Com o valor do ângulo do sensor de vazão e com sua curva de utilização obtivemos a vazão volumétrica do escoamento. Como o objetivo é a obtenção da vazão mássica, utilizou-se a Equação 2, sendo que o valor da massa específica do ar utilizado foi obtido com o software EES na temperatura medida pelo NTC de entrada, localizado junto ao sensor de vazão. A incerteza foi calculada com a Equação 5, sendo composta pela incerteza de ρ ar com a incerteza da vazão. A Tabela 3 apresenta os dados mencionados. Tabela 3 Vazão mássica obtida a partir do ângulo medido Ângulo medido Massa específica do ar (kg/m³) (g/s) Vazão mássica Vazão (l/s) Incerteza (g/s) (graus) 115 30,21 1,194 36,08 ±0,88 Como o interesse era a obtenção da energia obtida pelo coletor e transferida para o ar, a Equação 4 foi utilizada para a obtenção da taxa de calor. O calor específico do ar utilizado foi 1,007 kj/kg.k, obtido pelo software EES. A incerteza foi calculada pela Equação 5, desconsiderando a incerteza do calor específico do ar. A Tabela 4 que segue apresenta os resultados. Tabela 4 Taxa de transferência de calor obtida a partir da vazão mássica e ΔT Vazão mássica Calor específico ΔT ( C) Q (J/s) Incerteza (J/s) (g/s) do ar (kj/kg.k) 36,08 1,007 16 581,2 ±15,3 6. CONCLUSÕES O coletor solar térmico para aquecimento de ar construído com uma placa de alumínio pintada com tinta comercial para metais preta e conformada no formato de três vês, formando um ângulo de abertura de 37, obteve um resultado satisfatório, sendo capaz de elevar a temperatura em (16,00±0,15) C à uma vazão mássica de (36,08±0,88) g/s e uma velocidade média do escoamento de (3,98±0,09) m/s, alcançando uma taxa de transferência de calor de (581,2±15,3) J/s. Em uma primeira tentativa de ensaio, durante o período de aquecimento do coletor, o vidro que cobre a parte superior do coletor quebrou. Foi notado posteriormente que a fita adesiva dupla face posta entre o vidro e a caixa de madeira para auxiliar no isolamento, que inicialmente não havia tido uma boa aderência, após submetido a alta temperatura da bancada, aderiu fortemente a
14 madeira e ao vidro, provavelmente restringindo o trabalho do vidro durante a dilatação e causa n- do a falha. Não foi possível obter a eficiência do coletor solar térmico pois seria necessário para isso conhecer o valor do fluxo de irradiação médio que chega à superfície do coletor, porém esta grandeza física não pôde ser medida por falta de instrumentação apropriada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AHMED ZAID, A. et al. Experimental study of thermal performance improvement of a solar air flat plate collector through the use of obstacles: application for the drying of Yellow Onion. International journal of energy research, v. 23, n. 12, p. 1083-1099, 1999. AKPINAR, Ebru Kavak; KOÇYIĞIT, Fatih. Experimental investigation of thermal performance of solar air heater having different obstacles on absorber plates. International Communications in Heat and Mass Transfer, v. 37, n. 4, p. 416-421, 2010. DUFFIE, J.A., BECKMAN, W.A., 1991. Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley, New York, 2 nd ed. ESEN, Hikmet. Experimental energy and exergy analysis of a double-flow solar air heater having different obstacles on absorber plates. Building and Environment, v. 43, n. 6, p. 1046-1054, 2008. HOLMAN, J.P., 1994, Experimental Methods for Engineers, McGraw-Hill, New York, 6 th ed. INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., 2011. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, LTC, Rio de Janeiro, 6ª ed. SCHNEIDER, P.S., 2007. Incertezas de Medição e Ajuste de dados, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil. SCHNEIDER, P.S., 2011. Medição de Velocidades e Vazão de Fluidos, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil. 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