i UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE ACUMULAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA por Frederico Eggers Mateus Beltrami Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Dezembro de 2014
ii BELTRAMI, M., EGGERS, F.; Desenvolvimento e construção de um protótipo de acumulação de energia térmica, 2014, Trabalho final da disciplina de Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014. RESUMO O trabalho desenvolvido apresenta um protótipo de um acumulador de calor, que tem o intuito de armazenar energia térmica oriunda de uma corrente de ar aquecida com a finalidade de otimizar a acumulação de calor. O protótipo é fabricado com resina poliéster cristal e é concebido com uma geometria que traga os melhores resultados. O acumulador é ensaiado em uma bancada própria do Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos, onde são utilizados um ventilador com frequência predeterminada de 30 Hz e uma resistência elétrica para aquecer o ar a aproximadamente 70ºC. Os valores da temperatura do ar antes e após o protótipo e da vazão são medidos e calculados, obtendo-se constante de tempo de 555 s e uma vazão mássica de 0,028 kg/s. PALAVRAS-CHAVE: Acumulador de calor, energia térmica, resina poliéster cristal, diferença de temperatura.
iii BELTRAMI, M., EGGERS, F.; Development and construction of a prototype of accumulation of thermal energy, 2014, Final work part of the Thermal Measurements discipline of the Mechanical Engineering course Mechanical Engineering Department, Universidade Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014. ABSTRACT The developed work presents a prototype of a heat accumulator, aiming to optimize the storage of thermal energy from a heated air flow. The prototype is fabricated with crystal polyester resin and designed with a geometry to increase the heat exchange. The accumulator is tested in an experience bench in the Laboratorio de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos, where a fan is set to a predetermined angular frequency of 30Hz and the air is heated through an electrical resistance to approximately 70ºC. The values of the flow and air temperature before and after the prototype are measured and calculated, obtaining time constant of 555 s and a mass flow of 0,028 kg/s. KEYWORDS: Heat accumulator, thermal energy, polyester resin crystal, temperature difference.
iv SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 1 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 2 3.1 Termodinâmica... 2 3.2 Transferência de calor... 2 3.3 Tubo de Pitot... 2 3.4 Método das Cotas de Newton... 3 3.5 Medidores de temperatura... 4 3.6 Incertezas de medição... 5 4. METODOLOGIA... 6 4.1 Bancada de ensaios... 6 4.2.1 Medidor de temperatura... 7 4.2.2 Calibração... 7 4.2.3 Medidor de vazão... 8 4.3 Desenvolvimento do acumulador... 10 5. RESULTADOS... 10 6. CONCLUSÃO... 12 7. REFERÊNCIAS... 12
1 1. INTRODUÇÃO A atual situação energética mundial apresenta desafios cada vez maiores em busca da redução da utilização de combustíveis não renováveis. A busca por novas formas de se obter energia, ou melhorar o aproveitamento energético dos sistemas já implementados é de fundamental importância para esse objetivo. A dificuldade de a energia térmica ser utilizada quando não se há uma grande diferença de temperatura é um dos pontos que pode ser melhorado para evitar o desperdício de energia. A utilização de acumuladores de calor segue a linha de poder utilizar rejeitos de sistemas térmicos para aquecer um material, que pode depois ser utilizado. Pode-se pensar em diversas maneiras de utilizar essa energia, como a secagem de frutas, aquecimento de casas, etc. Acumuladores já são bastante difundidos na área de climatização, com os Chillers, visando diminuição de custo no horário mais caro da rede elétrica. Porém esses sistemas não visam a reutilização de energia que seria jogada fora. A variedade de materiais disponíveis para a construção desses sistemas é diversa, sendo os mais eficientes os que sofrem uma troca de fase em sua faixa de operação. Para o trabalho foi escolhida resina poliéster cristal, que foi ensaiado no laboratório LETA da UFRGS. O objetivo do trabalho foi projetar, com 1kg de renina poliéster cristal, o acumulador de calor com o menor tempo de resposta possível, menor perda de carga, projetar e calibrar os instrumentos de medição utilizados para determinar essas grandezas. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Zhongyang et al, 2014, propuseram um acumulador de calor em favo de mel de cerâmica usando energia solar. Partindo disso, desenvolveram um modelo numérico para prever os efeitos de parâmetros geométricos. Concluíram que a capacidade de armazenamento aumentada com o aumento da capacidade volumétrica de calor, sendo que um acumulador de calor com grandes canais e paredes finas, a temperatura de saída aumentou rapidamente em um processo de carga e caiu drasticamente em um processo de descarga. Segundo Antoni et al, 2010, a possibilidade de maior utilização de energia como a solar está ligada com um eficiente armazenamento de energia térmica. Apesar de ser um dos componentes mais importantes, esse é também um dos menos desenvolvidos. Apenas algumas plantas no mundo testaram sistemas de armazenamento de energia térmica Há busca até mesmo por redução dos custos desse tipo de sistema. Navarro et al, 2012, realizaram uma pesquisa com o intuito de avaliar materiais que poderiam ser reciclados e tornarem-se acumuladores de calor com custo benefícios melhores. Eles chegaram à conclusão de que materiais que seriam normalmente rejeitados de processos industriais tem custo benefício para utilização como acumuladores de calor.
2 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Termodinâmica Assumindo o ar como gás ideal, podemos dizer que ele é regido pela equação: (1) Como a massa específica de um componente é a massa total sobre o volume total, podemos dizer que: (2) Onde é a massa específica, p a pressão local, M a massa molar, R a constante dos ga-ses e T a temperatura em que se encontra a substância. 3.2 Transferência de calor O acumulador de energia térmica funciona basicamente absorvendo o calor proveniente do ar aquecido por radiação solar. A transferência de calor para o acumulador é dada por convecção. Depois que se atinge o regime permanente do sistema, parte dessa energia é perdida por condução pelas laterais, pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna como radiação para o ambiente. Todo o resto é transferido para o ar escoando internamente. A taxa de energia acumulada por um acumulador de calor pode ser dado pela equação abaixo: (3) Onde é a vazão mássica do escoamento, é o calor específico, é a temperatura prescrita e é a menor temperatura à jusante da seção de ensaio. 3.3 Tubo de Pitot Existem diversas maneiras de medir velocidades de escoamento. Entretanto o tubo de Pitot é o instrumento mais simples de medição de velocidade de escoamento tanto internos quanto externos para líquidos ou gases. A medição da velocidade é dada a partir da comparação entre as pressões estática e dinâmica do escoamento em um determinado ponto. O tubo de Pitot tem uma de suas pontas orientada na mesma direção do escoamento, porém em sentido oposto ao escoamento, causando assim um ponto de
3 estagnação que obtém a pressão dinâmica. A outra ponta está ligada a uma tomada de pressão na parede do duto, que obtém a pressão estática. Figura 1: Esquematização do Tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER, 2012] Através da equação de Bernoulli, com as devidas simplificações, é possível descobrir a velocidade do escoamento através da equação abaixo: Onde é a massa específica, é a pressão de estagnação e a pressão estática ou termodinâmica. Também, sabe-se que a diferença de pressão pode ser encontrada através da expressão abaixo: (4) (5) de: Com o valor da velocidade é possível calcular a vazão volumétrica do ar através (6) Também, pode-se calcular a vazão mássica através da equação: 3.4 Método das Cotas de Newton (7) Em medições com o Tubo de Pitot em escoamentos em tubos cilíndricos, devese explorar a medição em mais de um ponto para ter-se uma distribuição do escoamento. O método das Cotas de Newton atribui um peso a cada medição, dependendo da posição radial onde ela foi feita. Quanto maior o número de medições,
4 mais preciso será o resultado obtido. Após isso se faz um somatório do produto das velocidades e seus respectivos pesos conforme a equação: Onde é a velocidade média do escoamento, é a velocidade no ponto medido e é o peso dado a essa medida. Tabela 1: Raios adimensionais e pesos utilizados para o cálculo da velocidade média pelo método das áreas iguais. (8) Quantidade de pontos de medição n 2 3 r Cotas de Newton w 0 1,2 1 1,2 0 0,1667 0,7071 0,6667 1 0,1667 3.5 Medidores de temperatura O emprego de elementos sensores onde se observa a variação da resistência elétrica em função da variação da temperatura do meio onde o sensor está localizado é muito amplo. Ele oferece vantagens por ser uma medida de fácil obtenção, amplificável e de boa qualidade. É importante salientar que esse mesmo material utilizado com sucesso como sensor de temperatura produziria um componente elétrico ou eletrônico não adequado, pois sua variação de resistência com a temperatura constitui em um efeito indesejado para os circuitos ou equipamentos onde ele estaria instalado. Neles, o importante é manter o valor da resistência inalterada com a variação da temperatura, efeito que é, por outro lado, valorizado quando se trata de construir um sensor de temperatura. Os sensores de temperatura formam uma parte do conjunto de medição. Ao contrário de um termômetro de líquido em vidro, onde todas as funções do instrumento estão acomodadas no mesmo local, o sensor eletrônico deve ser integrado a uma série de equipamentos que comporão o que se costuma chamar de termômetro.
5 Figura 2: Tipos de detectores de resistência por temperatura [SMITH SCHNEIDER, 2012] A leitura dos também chamados termoresistores é feita a partir de uma curva de calibração, onde o valor lido em resistência elétrica corresponderá a um valor em temperatura. Isso equivale a trabalhar com uma curva do tipo. Daí vem a necessidade de obter-se uma curva de calibração, onde a variação da grandeza independente temperatura de um meio de calibração corresponderá a uma variação da grandeza dependente do sensor, no caso a resistência elétrica R, de tal forma que. 3.6 Incertezas de medição A grandeza física que é obtida através de um procedimento experimental é sempre uma aproximação do valor verdadeiro da mesma grandeza. A teoria de erros tem como objetivo determinar o melhor valor possível para a grandeza. O melhor valor possível também é chamado de melhor estimativa ou valor experimental do mensurando. A incerteza pode ser então definida como uma indicação de quanto o melhor valor pode diferir do valor verdadeiro, em termos de probabilidades. Ainda em outras palavras, a incerteza é um valor estimado para o erro, i.e., o valor do erro se ele pudesse ser medido ou se ele fosse medido. Qualquer instrumento de medição fornece dados aproximados de uma grandeza de um fenômeno. Ocorrendo assim uma divergência entre o valor medido e o valor real. Esta diferença é o erro associado à medição, podendo ser causado tanto por fenômenos aleatórios quanto por problemas na instrumentação. É comum, após a medição de um experimento, utilizar os dados coletados para calcular outras grandezas. Ao se fazer isto, as novas grandezas são acompanhadas com os erros das variáveis utilizadas. Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equação de Kline e McClintock: ( ) ( ) (10)
6 4. METODOLOGIA 4.1 Bancada de ensaios O experimento foi realizado no laboratório LETA do departamento de Engenharia Mecânica da UFRGS. A bancada para o teste está na Fig.3. Para fazer o escoamento de ar há um ventilador que funciona em uma rotação constante de aproximadamente 30Hz. Na região (3) foi realizada uma medida de vazão e uma medida de temperatura. Após passar pelo aquecedor, é colocado o acumulador projetado na seção de ensaio e a variação de temperatura causada pelo acumulador é medida na região (8). Os dutos da passagem do escoamento de ar são de PVC de 100 mm, os quais também são acoplados na seção de ensaio, cujas dimensões são: 46 cm de comprimento, 30 cm de largura e 15,5 cm de altura. A instrumentação para realizar as devidas leituras de temperatura e velocidade do escoamento são acopladas entre as luvas. 1.00 m 1.00 m 1.00 m (1) (2) (3) Termômetro LETA Ventilador Medidor de vazão LETA Seção de instrumentação Vazão e Temperatura ALUNOS 1.00 m 1.00 m (8) (7) (6) Seção de instrumentação Temperatura ALUNOS Termômetro Manômetro LETA Seção de ENSAIO (5) Termômetro Manômetro LETA (4) AQUECEDOR LUVA Figura 3: Esquema de montagem da bancada de ensaios. [Edital de trabalho final da disciplina medições térmicas, 2014-2]
7 4.2 Instrumentos de medição 4.2.1 Medidor de temperatura Para realizar a medição de temperatura foram utilizados dois sensores NTC 5k. Um sensor foi colocado junto ao medidor de vazão na região (3) e o outro foi utilizado para medir a temperatura na saída da seção de ensaio. Ambos foram calibrados com o sensor de referência fornecido pelo laboratório. Figura 4: Sensor de temperatura (NTC) 4.2.2 Calibração A calibração deve ser feita com bastante cuidado, já que esses sensores apresentam comportamento exponencial. Outro detalhe é que sua resistência diminui com o aumento da temperatura, ao contrário de sensores como os PT100. A calibração foi realizada por meio de comparação. Foi utilizado um sensor de referência fornecido pelo LETA. Os sensores foram revestidos com fita isolante líquida, para que o contato com a água ou até mesmo com os outros sensores não afetasse o sinal de saída. Após este procedimento o sensor padrão e os sensores a serem calibrados foram colocados dentro de uma garrafa térmica com água quente. Imediatamente iniciou-se a aquisição de dados com multímetros de mão, os quais foram conectados em cada sensor de temperatura. Os dados coletados estão representados na tabela 2.
Temperatura( ºC) 8 Tabela 2: Dados coletados na calibração do NTC 1 e NTC 2. Calibração PT100 [Ω] T [ C] NTC 1[ KΩ] NTC 2 [ KΩ] 131,03 78,86505 0,7853 0,881 127,32 69,34853 1,0664 1,1936 124,7 62,62797 1,3459 1,5042 122,81 57,77993 1,598 1,7856 121,59 54,65051 1,7786 1,988 120,17 51,00807 2,0311 2,2676 119,1 48,26341 2,259 2,5229 118,5 46,72435 2,3818 2,6569 117,45 44,031 2,6413 2,9427 116,75 42,23543 2,8263 3,1493 116,4 41,33764 2,943 3,278 109,28 23,07413 6,175 6,934 Fazendo-se a comparação, é possível ajustar a curva de operação para cada um dos sensores. A curva está na Fig. 5. Calibração 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 Tempo (min) NTC1 NTC2 y = -27,13ln(x) + 70,805 R² = 0,9971 y = -27,15ln(x) + 73,828 R² = 0,9967 Figura 5: Curva de calibração dos resistores NTC 1 (pontos em azul) e NTC 2 ( pontos em vermelho). 4.2.3 Medidor de vazão O medidor de vazão projetado foi um tubo de Pitot montado com tubos de cobre. A diferença de pressão estática e dinâmica foi medida utilizando um manômetro de coluna d agua de precisão do laboratório.
9 Foi construída uma base de madeira para o Tubo de Pitot. Isso garantiu que o mesmo estivesse na direção do escoamento, além de ter as posições de medição marcadas para a realização das cotas de Newton. Figura 6: Detalhe construtivo do Tubo de Pitot. O duto construído estava preparado para a medição de quatro pontos diferentes para a pressão estática, para maior precisão. Porém apenas uma tomada de pressão foi utilizada. Figura 7: Tomadas de pressão estática.
10 4.3 Desenvolvimento do acumulador O acumulador de calor foi construído de resina poliéster cristal. Para alcançar a geometria, foi feito um molde de madeira revestida com massa de modelar, para facilitar a retirada do mesmo do molde. Antes de a resina ser vazada no molde foi necessário fazer uma mistura equilibrada da resina com o catalizador, pois a combinação de ambos fará o material final ter melhores propriedades. Se for colocado excesso de catalizador a reação exotérmica vai ser muito mais intensa, elevando muito a temperatura, o que poderá deixar o protótipo amarelado e muito frágil. Já por outro lado, se for colocado catalizador a menos a cura da resina não vai ser completa, podendo o material ficar grudento e não suportando a temperatura para a qual o protótipo será ensaiado. Após isso se colocou a resina e o catalisador ainda líquidos dentro do molde. Após o tempo de solidificação da resina ter passado o acumulador foi desmoldado. O resultado obtido foi um acumulador retangular com furos retangulares, semelhante a uma placa aletada. Figura 8: Acumulador de calor. O acumulador tem como medidas 14 cm de altura, 25 cm de largura e 5 cm de profundidade. Como a colocação da massa de modelar, assim como a confecção do molde ter sido feita à mão, as dimensões não foram completamente obedecidas, tendo certas diferenças, além de possuir uma grande rugosidade. O peso medido do acumulador foi de 960,9g, dentro da margem determinada pelo edital do trabalho que era 1000 g com tolerância de 50 g para mais e para menos. 5. RESULTADOS O resultado medido para a vazão, utilizando o método das cotas de Newton, para medição em 3 posições está na Tab. 3.
Temperatura( ºC) 11 Tabela 3: Resultados de pressão utilizando o método das Cotas de Newton e a velocidade utilizando a equação (4). Posição (r) Pressão (mmca) Pressão (Pa) Velocidade (m/s) 0 0,6 5,88 3,14 0,7 0,6 5,88 3,14 1 0,4 3,92 2,57 Os resultados foram calculados com = 1,19, já que a temperatura do ar medida na entrada do duto foi de 24,217ºC. De acordo com o método cotas de Newton, a velocidade média do escoamento é de 3,04 m/s. Com esse valor e conhecendo a área do duto e temperatura do escoamento pode-se calcular a vazão mássica pela equação (7), que é dada por 0,028 kg/s. O resultado da medição de temperatura ao longo do tempo, quando se coloca o acumulador na seção de testes está na Fig 9. 67,5 67 66,5 66 65,5 65 64,5 64 63,5 63 Tempo de resposta do acumulador 0 5 10 15 20 Tempo (min) Figura 9: Tempo de resposta do acumulador. Podemos perceber que a temperatura inicial do sistema, representada pela linha vermelha, é de 67,31ºC. Ela sofre uma queda abrupta devido à abertura a seção de testes, que deixa que ar externo entre na mesma e também devido à colocação do acumulador de calor. A partir daí, conforme o escoamento esquenta a resina, a temperatura na saída começa a aumentar. A temperatura mínima medida foi de 63,60ºC, portanto, para que alcançasse os 63,2%, o sensor deveria medir a temperatura de 65,94ºC. Essa temperatura foi atingida com o tempo de medição de aproximadamente 555 segundos.
12 6. CONCLUSÃO O desenvolvimento do acumulador de calor foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos de transferência de calor e mecânica dos fluidos, sendo a geometria o principal parâmetro avaliado. A melhor geometria obtida para o experimento foi em formato retangular com furos retangulares. O resultado obtido do tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica foi de 555 segundos. O resultado obtido poderia ser melhorado se fosse feito algum tipo de estudo mais profundo em CFD para encontrar uma geometria que maximize a troca de calor entre o escoamento e a resina. 7. REFERÊNCIAS GIL, A.; MEDRANO, M.; MARTORELL, I.; LÁZARO, A.; DOLADO, P.;ZALBA, B.; CABEZA, L.F. State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation. Part 1 Concepts, materials and modellization Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 14, Edição 1, Janeiro 2010, Páginas 31 55. LUO, Z.; WANG, C.; XIAO, G.; NI, M.; CEN, K. Simulation and experimental study on honeycomb-ceramic thermal energy storage for solar thermal systems, Applied Thermal Engineering Volume 73, Edição 1, 5 de Dezembro 2014, Páginas 622 628. NAVARRO, M.E.; MARTÍNEZ, M.; GIL, A.; FERNÁNDEZ A.I.; CABEZA, L.F.; OLIVES, R.; PY, X. Selection and characterization of recycled materials for sensible thermal energy storage, Solar Energy Materials and Solar Cells Volume 107, Dezembro 2012, Páginas 131 135 SMITH SCHNEIDER, P; Medição de Velocidade e Vazão em Fluidos, 2012, Porto Alegre, Brasil. SMITH SCHNEIDER, P; JENISCH RODRIGUES, L. Edital de trabalho final da disciplina medições térimicas, Edição 2014-2.