UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR por Guilherme Luiz Pelizzoli Caetano Rafael Führ Kuhn Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, julho de 2014
ii RESUMO O presente trabalho trata do desenvolvimento e ensaio de um coletor solar para ser aplicado na secagem de frutas. Este dispositivo é constituído de um duto especial sobre o qual a radiação solar incide, e de um vidro para propiciar um efeito análogo ao de uma estufa. Um protótipo é projetado e testado no laboratório da UFRGS, e a instrumentação utilizada também é desenvolvida neste trabalho. Os resultados são uma vazão mássica de 34,54x10-3 kg/s, diferença de temperatura de 14,6ºC e calor transmitido de 508,15 W. PALAVRAS-CHAVE: Coletor solar, Sistemas térmicos, radiação, conservação de alimentos.
ABSTRACT The present paper is about the development and testing of a solar panel, which used for drying fruits. This device consists of a special duct, which is stroke by solar radiation, and a glass surface, for generating a greenhouse effect. A prototype is developed and tested in an UFRGS lab, and the instrumentation used for the tests are also created and explained in this paper. The results are a mass flow rate of 34,54x10-3 kg/s, a difference of temperature of 14,6ºC and a transferred heat of 508,15 W. KEYWORDS: Solar panel, Thermal systems, radiation, preserved food. iii
iv SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT II III 1. INTRODUÇÃO 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1 3.1 Funcionamento do coletor 1 3.2 Incertezas 2 4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL 2 4.1 Protótipo 2 4.2 Medição de Vazão 3 4.4 Medição de Temperatura 4 5. RESULTADOS 6 7. CONCLUSÕES 6 8. REFERÊNCIAS 6
1 1. INTRODUÇÃO A energia solar é um recurso bastante disponível e uma das formas mais simples de utilização desse potencial são os coletores solares térmicos, que utilizam a energia da radiação solar para aquecer fluidos. Uma aplicação possível destes coletores é a secagem de frutas por meio de um fluxo de ar aquecido, caso do coletor existente na Quinta da Estância Grande, em Viamão-RS. O coletor solar capta a radiação solar incidente sobre uma chapa metálica pintada de preto e aquece o ar tomado do exterior, que é descarregado na câmara de secagem. O presente trabalho tem como objetivo a otimização do referido coletor solar térmico, a partir da construção de um protótipo com dimensões reduzidas, capaz de fornecer um fluxo de ar aquecido, ou seja, capaz de fonecer uma taxa de energia na forma de calor para um fluxo de ar, sob a presença de fonte luminosa de energia e fluxo forçado de ar. Como parte deste objetivo maior, surgem também metas adicionais de construção de aparelhos de medida de vazão do escoamento no coletor e de medida das temperaturas de entrada e saída do coletor. Adicionalmente, ainda, deseja-se que o coletor e os aparelhos de medição sejam construídos a partir de materiais de fácil aquisição, evitando-se componentes dos mercados especializados de coletores e instrumentos de medição. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Hirunlabh et alii, 1999, demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por energia solar utilizando placas metálicas aplicando o método para a ventilação de ambientes em climas tropicais. O estudo conseguiu produzir uma vazão mássica entre 0,01 e 0,02 kg/s utilizando uma placa de 2m². Alvarez et alii, 2004, construíram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de latas de alumínio recicladas, conseguindo um aproveitamento de 74% na transferência de calor com uma vazão mássica de 0,033 kg/s. Kopp e Lean, 2011, aproximaram que a constante solar, valor de radiação solar na superfície terrestre utilizado para fins de engenharia, tem seu valor igual a 1360,8 ± 0,5 W/m². Finalmente, Hakan et alii, 2013, apresentam uma revisão do histórico do uso de aquecedores solares e uma análise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia solar. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Funcionamento do coletor O coletor recebe energia da fonte luminosa na forma de radiação. Parte dessa radiação é absorvida e outra parte é refletida. A parcela absorvida resulta no aumento de temperatura das superfícies irradiadas. Uma parte da energia é transferida ao ar que escoa no interior no coletor, por convecção. Outra parte da energia absorvida é perdida para o ambiente externo, por meio da condução através das paredes do coletor e também devido a radição. A quantidade de calor transferida ao ar por um trocador de calor, em W, é dada pela Equação 1: Onde é a vazão mássica de ar [kg/s], é o calor específico do ar [kj/kgk], é a temperatura de saída do ar [ºC] e é a temperatura de entrada do ar [ºC]. A vazão mássica é dada pela Equação 2: (2) Onde é a vazão volumétrica [m 3 /s] e é a densidade do ar [kg/m 3 ]. (1)
2 O ar foi tomado como fluido de propriedades constantes, tais que: 3.2 Incertezas Sempre há uma incerteza associada à medição, devido a fenômenos aleatórios e limitações do instrumento de medição, de maneira que deve-se considerar o valor obtido em medições como incerto. Para a estimativa do erro associado à medição, foi considerado o erro do multímetro, declarado pelo fabricante, e sua propagação nos cálculos, pela equação de Kline e McClintock: (3) 4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL O experimento consiste de um coletor solar submetido a iluminação artifial de lâmpadas incandescentes instalado junto a uma canalização de ar ventilado e aparelhos de medição de vazão e temperatura. O esquema do experimento é apresentado na figura 1. Figura 1 Esquematização do experimento 4.1 Protótipo As dimensões internas do coletor são de 1 m de comprimento, 0,3 m de largura e 0,15 m de altura. A energia dissipada pelas lâmpadas (17 lâmpadas de 200W) e a rotação do ventilador (20 Hz) foram mantidas constantes durante a execução do experimento. Uma vista em corte do protótipo está representada na figura 2.
3 Figura 2 Vista em corte da seção tranversal do protótipo O protótipo do coletor solar consiste basicamente em um duto com perfil retangular, com as paredes e o fundo feitos de MDF (medium density fibreboard), que é um composto de madeira com boas propriedades de isolamento térmico, e a superfície superior feita de vidro. O vidro é uma escolha interessante neste caso pois é um material translúcido principalmente para o espectro predominante da radiação solar, porém opaco à radiação infravermelha. Isto ajuda a isolar o calor emitido em forma de radiação pelo interior do duto, que, na temperatura de projeto, emitirá majoritariamente radiação infravermelha, formando um tipo de efeito estufa. As laterais do coletor solar são unidas ao fundo por meio de pregos de aço e cola vedante do tipo silicone. A chapa inferior não entra em contato com a mesa de testes (para evitar uma maior condução de calor para o ambiente), e isto ocorre graças à prolongação das chapas laterais. O interior do coletor é totalmente coberto por tinta preta de esmalte que reflete de forma opaca. Com a tinta preta, busca-se que a maior parte da radiação seja absorvida, em vez de transmitida ou refletida. Com o protótipo funcionando, o ar na temperatura ambiente entrou no coletor solar forçado externamente por um ventilador e, ao entrar em contato com as paredes, recebeu calor por convecção. O objetivo é fazer com que a temperatura do ar aumente o máximo possível. A vazão de ar tem que ser maximizada também, visto que quanto maior a velocidade do ar, maior a quantidade de massa de ar em movimento e consequentemente maior é a quantidade de calor transferida. Por este motivo, o coletor possui uma seção transversal praticamente sem obstáculos. Inevitavelmente as maximizações do aumento de temperatura e da vazão estão submetidos à uma relação de compromisso. 4.2 Medição de Vazão A medição de vazão foi obtida através da utilização de um cooler (ventilador de baixa potência utilizado em aparelhos eletrônicos). O valor medido foi encontrado por comparação entre o valor de voltagem medido nos terminais do cooler com uma curva de medição de vazão. A curva de medição de vazão foi previamente obtida através de uma calibração, onde fora relacionada a voltagem dos terminais com a vazão medida a partir do medidor de placa de orifício inclusa na canalização de ar, tida como referência. Os dados da calibração podem ser vistos na tabela 1.
4 Tabela 1- Dados da Calibração do medidor de vazão Vazão de referência Voltagem nos terminais 32,887x10-3 m 3 /s 2,82 V 31,200x10-3 m 3 /s 2,04 V 21,753x10-3 m 3 /s 1,14 V 14,708x10-3 m 3 /s 0,51 V A curva de medição é apresentada no gráfico 1 e sua equação característica, obtida por interpolação por polinômio, é dada pela equação 4. Onde V é a medida de voltagem [V] nos terminais do cooler. Gráfico 1 Curva de Medição de Vazão (4) 4.3 Medição de Temperatura As medidas de temperatura na entrada e na saída do coletor foram obtidas através da utilização de dois NTCs (negative temeperature coefficient), que tem como característica resistência variável de acordo com a temperatura. Os valores de resistência nos terminais dos NTCs foram medidos e relacionados à temperaturas através de uma curva de medição de temperatura. A curva de medição de temperatura foi previamente obtidad através de uma calibração, onde fora relacionada a voltagem dos terminais dos NTCs com a temperatura medida a partir de um PT100 tido como referência. Na tabela 2 estão apresentados os dados da calibração nos NTCs.
5 Tabela 2 Dados de Calibração dos NTCs Temperatura de referência Resistência NTC1 Resistência NTC2 23,70º C - 12,709 kω 24,23º C 12,208 kω - 25,30º C 11,056 kω 11,357 kω 43,24º C 5,836 kω - 43,64º C - 5,906 kω 49,78º C 4,153 kω 4,113 kω A curva de medição é apresentada no gráfico 2 e suas equações características, obtidas por interpolação por polinômios, são: NTC1: NTC2: Onde T é a temperatura [ºC] e é a resistência [ ] medida nos terminais do NTC Gráfico 2 Curva de Medição das Temperaturas 5. RESULTADOS Nas condições de operação estabelecidas, a vazão obtida foi de 31,200x10-3 m 3 /s e as medições de temperatura foram de 24,23º C e 43,42º C, resultando em uma diferença de temperatura de 19,19º C. As tabelas 3 e 4 apresentam os resultados obtidos para as medições de vazão e temperatura, respectivamente.
6 Tabela 3 Vazão de ar obtida no experimento Voltagem medida Vazão de ar 2,04 V 31,200x10-3 m 3 /s Tabela 4 Temperaturas obtidas no experimento Resistência Temperatura Resistência Temperatura Diferença de NTC1 NTC2 temperatura 12,188 kω 24,23º C 5,964 kω 43,42º C 19,19º C Utilizando as equações 1 e 2, chega-se a um resultado de vazão mássica de 37,44x10-3 kg/s e calor transferido de 722,066 W. Os resultados gerais são mostrados na tabela 5. Tabela 5 Resultados gerais do experimento Vazão mássica Diferença de temperatura Taxa de calor 37,44x10-3 kg/s 19,19º C 722,066 W 6. CONCLUSÕES O trabalho teve sucesso em deselvolver um coletor solar construído com materiais de fácil aquisição e capacidade de aproveitar a energia entregue por iluminação para o aquecimento de uma corrente de ar. Também obteve-se sucesso na construção de aparelhos de medição de vazão e temperatura. Conseguiu-se um aquecimento de 14,6º C com uma vazão de 34,54x10-3 kg/s, gerando calor numa taxa de 508,15 Wem regime permanente. Estes valores foram considerados satisfatórios para o objetivo proposto, ou seja, para a secagem de frutas, e estão na faixa de ordem de grandeza esperada. 7. REFERÊNCIAS ALVAREZ et alii; Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate made of recyclable aluminum cans, Solar Energy, 2004, vol 77, pp 107 a 113. HIRUNLABH et alii; Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under tropical climate; Renewable Energy, 1999, Vol 18, pp. 109 a 119. KOPP, G; LEAN, J. L.; A new, lower value of total solar irradiance: evidence and climate significance, Geophysical Research Letters, 2011, Vol 38. POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO LTDA; Especificações técnicas do multímetro digital POL-777, http://www.politerm.com.br/eshop.admin/imagens/politerm/folheto-multimetro-digitalpol--- 777.pdf, acessado em 06/07/2014. SMITH SCHNEIDER, P; Medição de Velocidade e Vazão em Fluidos, 2011, Porto Alegre, Brasil, http://143.54.70.55/medterm/vazao_mt.pdf.