UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA DE RESINA POLIÉSTER CRISTAL COM CATALISADOR por Luís Fernando Konzen Paulo Dambros Menin Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider Professora Letícia Jenisch Rodrigues Porto Alegre, dezembro de 2014.
RESUMO Partindo-se de resina poliéster cristal com catalisador, com massa total de 1 kg, procura-se conceber, construir e ensaiar um acumulador térmico que apresente o menor tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia quando submetido a uma corrente forçada de ar a uma certa temperatura prescrita. A construção de indicadores e medição de parâmetros referentes à corrente de ar, como temperatura e vazão, também fazem parte deste trabalho. A construção do acumulador baseia-se no princípio de menor tempo de resposta, levando-se em conta toda a dificuldade de transmissão térmica apresentada pelo material para a construção do acumulador. Sendo assim, com base nas áreas do conhecimento relacionadas ao assunto, principalmente mecânica dos fluídos e transferência de calor, procura-se confinar a maior parte do escoamento dentro de seções com a maior área de troca térmica possível, possuindo pouco comprimento e com certo nível de turbulência, visando a maximização da troca térmica, utilizando-se também de ensaios práticos para o ajuste de parâmetros do acumulador. Sua forma final aproxima-se da vista em radiadores: placas alinhadas, tanto na vertical como na horizontal. As placas são solidificadas buscando-se a menor espessura possível. A dificuldade no manuseio da resina solidificada cria grandes dificuldade na construção, principalmente na união das várias placas, o que não significam desvios nos projetos iniciais. Após ensaio, tal acumulador apresenta constante de tempo de 534 segundos. Quanto aos indicadores de temperatura e pressão, estes têm grande influência do conteúdo aprendido na disciplina, principalmente no que tange à construção dos mesmos. Para a temperatura, frente a disponibilidade, usa-se um NTC e em relação ao medidor de vazão, um tubo de Pitot. Com o intuito de reduzir ao máximo os erros destes instrumentos, a calibração destes mostra-se muito importante, assim como o levantamento de dados termodinâmicos, como a massa específica do ar em certa temperatura.
ABSTRACT Starting from crystal polyester resin with catalyst, in a total mass of 1 kg, seeks to design, build and test a heat accumulator to produce the lowest response time for a regime of accumulation and discharge of energy when subjected to a forced current of air at a certain prescribed temperature. The construction of indicators and air flow measurement parameters, such as temperature and flow rate, were also part of this project. The construction of the accumulator is based on the principle of shorter response time, taking into account all the heat transfer difficulties presented by the material for construction of the accumulator. Thus, based on areas of knowledge related to the subject, particularly fluid mechanics and heat transfer, searched up to confine most of the flow in sections with the greatest possible heat exchange area having small length and a certain level turbulence in order to maximize heat transfer, using also practical tests to adjust accumulator parameters. Its final shape looks like radiators: line boards, both vertically and horizontally. The plates are solidified seeking the lowest thickness possible. The difficulty in handling the solidified resin creates great difficulty in building, especially at the junction of several plates, which does not mean deviations in initial projects. After testing, this accumulator presents 534 second of time constant. As for the temperature indicators and pressure, they have great influence of the content learned in the discipline, especially with regard to the construction thereof. For the temperature front availability, it uses an NTC and in relation to the flow meter, a Pitot tube. The calibration of these instruments proved to be very important in order to reduce their errors to a minimum, as well as the survey of thermodynamic data such as air density at a given temperature.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LETA NTC PVC Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos Negative Temperature Coefficient Policloreto de Vinila
LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Descrição Unidade A Área da superfície de troca térmica [m 2 ] h Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m².K)] q Taxa de transferência de calor [W] ΔT Diferença entre a temperatura do fluido e da superfície [K] R Resistência [Ω] T Temperatura [ºC] TOP Temperatura de operação na seção de ensaio [ºC] to Tempo inicial [s] tf Tempo final [s] P Pressão [Pa] Rg Constante do Gás em questão [J/(Kg.K) tcd Tempo de resposta para um regime de acumulação e [s] descarga de energia térmica δ Espessura da camada limite [m] V Vazão [m³/s] Vm Velocidade média do escoamento [m/s] Ac Área da seção transversal da tubulação [m 2 ] p 0 Pressão de estagnação do escoamento [Pa] p Pressão estática do escoamento [Pa] ρ Massa específica [kg/m³] K Adimensional da placa de orifício - w Peso para o cálculo de velocidade média -
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...7 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...8 2.1 Acumuladores Térmicos...8 2.2 Medidores de Vazão e Temperatura...8 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 10 3.1 Transferência de Calor por Convecção... 10 3.2 Medição de Vazão... 11 3.3 Medição de Temperatura... 12 3.4 Propagação de Incertezas de Medição... 13 4 MATERIAIS E MÉTODOS... 13 4.1 Fabricação do Acumulador... 14 4.2 Fabricação e Calibração do Medidor de Vazão... 15 4.3 Calibração do Medidor de Temperatura... 15 4.4 Ensaio... 16 5 RESULTADOS... 18 5.1 Calibração do NTC... 18 5.2 Calibração do Tubo de Pitot... 19 5.3 Ensaio com o acumulador... 20 6 CONCLUSÕES... 21 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 22
7 1 INTRODUÇÃO Sistemas de acumulação de energia térmica são equipamentos muito úteis em situações nas quais a incidência de energia térmica possui caráter cíclico, como, por exemplo em um secador solar de frutas, no qual durante o dia o ar aquecido passa por um leito de acumulação, aquecendo-o, e a noite este libera energia ao meio, fazendo com que a secagem não seja interrompida. Entretanto, sua construção não é simples, visto os inúmeros fenômenos envolvidos, como os estudados em transferência de calor e mecânica dos fluídos. Somados as estas questões teóricas da construção de um acumulador, a parte de fabricação do mesmo é de suma importância, visto que para pôr-se me prática uma determinada ideia, tem-se que ter meios para construí-la, caso contrário a ideia não terá muita utilidade. Tão importantes quanto um acumulador eficiente, são também os instrumentos de medição utilizados na determinação das características do escoamento da bancada de ensaio, como velocidade (vazão) e temperatura. Saber a temperatura do escoamento é importante visto a dependência que a massa específica do ar possui em relação a este parâmetro, ou seja, um erro na determinação da temperatura irá consequentemente levar a um erro na determinação da velocidade do escoamento, pois a velocidade depende diretamente da massa específica do fluído. Entretanto, realizar uma medição sem erro é algo impossível, visto os inúmeros fenômenos envolvidos, as hipóteses simplificadoras feitas na construção de relações matemáticas dos fenômenos físicos e também as imperfeições nos instrumentos de medição, entre outros. Erros são comuns em medições, mas a grande questão é o tamanho deste erro. Instrumentos com grande erro, não são adequados, pois não traduzem a realidade do mensurando, e instrumentos com quase nenhum erro também não são adequados para a maioria das aplicações, visto o investimento necessário na construção do mesmo. Com base em tudo isso, então, procurou-se conceber, construir e ensaiar um acumulador térmico que apresentasse o menor tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia quando submetido a uma corrente forçada de ar a uma certa temperatura prescrita, causando a menor perda de carga possível ao sistema. Dentre as limitações do projeto, estavam o material e sua massa: resina poliéster cristal com catalisador, com massa total de 1 kg. Também, as dimensões máximas da estrutura, referentes à bancada de ensaio montada para a verificação do projeto, tiveram seus valores estipulados. Além disso, procurou-se conceber e realizar a construção ou aquisição dos tipos de instrumentos mais adequados aos parâmetros da bancada de teste, prezando por diminuir ao máximo qualquer tipo de erro de medição.
8 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Acumuladores Térmicos Entre os mais variados modelos de acumuladores térmicos existentes são encontradas diferentes técnicas empregadas para realizar a acumulação de energia. Modificar materiais, utilizar materiais em mudança de fase, alterar geometrias e massas são algumas formas empregadas para maximizar o acumulo de energia ou diminuir a constante de tempo de acumuladores térmicos. No caso deste projeto existem restrições de massa e material, de forma que o acumulador projetado ficou restrito à mudança de forma para se obter a menor constante de tempo quando submetido a uma corrente forçada de ar. Em um estudo de Garcia e Mitsos, 2014, onde são avaliados a eficiência e o tempo de descarga de um acumulador de calor sensível, é constatado que a resistência convectiva para troca de calor diminui consideravelmente quando o acumulador é submetido a um fluido de troca térmica em regime turbulento. Desta forma a resistência condutiva acaba tendo uma importância considerável na eficiência de troca térmica. Levando isto em consideração, a geometria passa a ter um peso maior quando o acumulador estiver submetido a regimes turbulentos. Devido à importância de um escoamento turbulento pela superfície do acumulador, algumas modificações geométricas podem ser adotadas para ampliar esta turbulência. A inclusão de obstáculos na superfície de escoamento é uma opção para aumentar a turbulência e a troca térmica, este fenômeno pode ser observado em um estudo de Yemenici et. al., 2012, no qual foi verificado um aumento do coeficiente de transferência de calor quando adicionados blocos que perturbavam o escoamento, tanto em condições laminares como turbulentas. Outro modo de aumentar a troca térmica é aumentando a superfície exposta ao escoamento. Isso pode ser feito através da utilização de aletas, que podem ser construídas em diferentes formatos de acordo com o escoamento, como mostra Incropera et. al., 2011. A inclusão de aletas no projeto do acumulador térmico acaba sendo uma opção interessante, pois além de aumentar a área de troca térmica, podem ser posicionadas de modo a aumentar a turbulência do escoamento. Porém é necessário observar que o uso destas aletas deve ser moderado, pois estas não devem obstruir consideravelmente o escoamento, visto que uma alta vazão mássica do ar também é requisito do projeto. 2.2 Medidores de Vazão e Temperatura Quanto aos medidores de vazão, Schneider, 2011, faz um levantamento geral de características e peculiaridades de uma ampla variedade de instrumentos para este fim. Indica também cuidados referentes aos equipamentos, como no caso do Tubo de Pitot, no qual para diminuir os erros ou desvios durante a medição de velocidade a sonda deve estar sempre alinhada à corrente de escoamento, caso não esteja, irão ocorrer desvios na leitura de pressão estática e de estagnação. E ainda em relação a este, afirma que em casos transientes o Tubo de Pitot não é o mais indicado. No que diz respeito à medição da temperatura, Schneider, 2011, em outra de suas obras, traz também um aparato geral das muitas formas possíveis de se medir temperatura: com termômetros de expansão, nos quais uma substância expandida pela temperatura provoca mudança de comprimento, volume ou pressão; com termômetros de resistência elétrica, que apresentam variação de resistência com a mudança de temperatura; com termopares, que são
dispositivos que medem uma diferença de tensão gerada quando suas extremidades estão a temperaturas distintas, entre outros. Principalmente, mostra de forma clara a importância do processo de calibração dos instrumentos de medição de temperatura para a obtenção de bons resultados. 9
10 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Transferência de Calor por Convecção A equação base para toda a análise relativa à construção do acumulador é a equação da taxa de transferência de calor, cujo valor em W é dado pela equação 1: q = haδt (1) Onde h é a é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/(m².K)), A é a área da superfície de troca térmica, em m², e ΔT é a diferença entre a temperatura do fluído e da superfície (K). O coeficiente h, entretanto, não é constante, visto as características do fluxo. Pode-se dizer que, considerando o escoamento de um fluído sobre uma placa, cada ponto possui um coeficiente convectivo diferente, conforme Figura 1. Assim, uma taxa de transferência de calor diferente para cada ponto, considerando-se A e ΔT constantes. Figura 1 Variação do coeficiente de transferência de calor por convecção h em função do regime de escoamento (Fonte: Incropera, 2011). Nela, vê-se a dependência do número coeficiente h e também da camada limite δ, em relação à característica laminar ou turbulenta do fluído, atributo este que pode ser verificado pelo número de Reynolds. No cálculo de tal, há uma dependência diretamente proporcional à distância Xc, apresentada na figura 1. Logo, quanto maior Xc na região de turbulência, menor será h, podendo este até tornar-se inclusive menor que o coeficiente na zona de transição entre o regime laminar e a região de transição. Outro ponto importante é a diferença de temperatura do fluído ao longo da superfície de contato, de forma que esta diminui ao longo do comprimento, devido à troca térmica com as paredes. Sendo assim, quando mais longa a superfície de contato, menor será a diferença de temperatura entre o fluido de trabalho e a superfície.
11 Quando o escoamento encontra-se confinado, entretanto, outras características devem ser levadas em conta, como por exemplo o número de Nusselt, que nos dá indicativos de características do escoamento. 3.2 Medição de Vazão Em relação à instrumentação, a medição de vazão pode ser resumida numa medição de velocidade do escoamento, na qual a vazão é obtida através da equação 2: V = V m A C (2) Nesta, a vazão V é dada m³/s, Vm é a velocidade média do escoamento e Ac é a área da seção transversal da tubulação. A determinação da velocidade transversal de escoamento como a utilização do tubo de Pitot é apresentação na equação 3: V = 2(p 0 p) ρ Onde p 0 é pressão de estagnação do escoamento em Pascal, p é a pressão estática do escoamento também em Pascal e ρ é a massa específica do fluído de trabalho, em kg/m³. A massa específica, em todos os cálculos, é dada em função tanto da temperatura quando da pressão, conforme equação 4. ρ = P (4) R g T Existem certas maneiras de realizar a aquisição das pressões em questões, uma delas, a qual é a mesma utilizada neste trabalho, é apresentada na Figura 2. (3) Figura 2 - Pontos de aquisição das pressões, Tubo de Pitot (Fonte: Schneider, 2011). Realizar a medição da pressão de estagnação em um só ponto e considerar esta como sendo a velocidade de todo o escoamento (Vm) é um tanto quanto arriscado. Uma técnica usada para melhorar o valor de Vm é realizar a medição da pressão de estagnação em vários pontos ao longo do raio, calcular a velocidade naquele ponto e multiplicá-la por um determinado peso (w), sendo que no fim a velocidade média do escoamento será dada pela equação 5: Vm = n 1 Viwi (5) A tabela de pesos de acordo com 4 métodos diferentes de aquisição dos dados pode ser vista na Figura 3.
12 Figura 3 - Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de medição (Fonte: Schneider, 2011). 3.3 Medição de Temperatura Para realizar a medição de temperatura é necessário um equipamento que opere adequadamente na faixa de temperaturas de trabalho. Dado o tamanho reduzido e o baixo custo, o sensor NTC se mostrou uma boa opção para realizar as medidas de temperatura durante o ensaio. O sensor NTC é um termistor, sendo assim possui um comportamento não-linear e apresenta uma diminuição de resistência com o aumento da temperatura, como mostra a Figura 4. Este sensor é fabricado a partir de um material semicondutor que pode apresentar uma ampla variação de resistência com a variação de temperatura, podendo apresentar valores de 10 kω a 0 ºC até 200Ω a 100 ºC.
13 Figura 4 Comportamento da resistência de um sensor NTC em função da temperatura (Fonte: Schneider, 2012) na equação 6: O comportamento da resistência do NTC pode ser representado pela relação apresentada (6) na qual A e B são constantes. 3.4 Propagação de Incertezas de Medição Ao utilizar dados medidos para calcular novas grandezas, os erros associados às grandezas medidas serão propagados para as novas grandezas calculadas. Este novo erro gerado pode ser calculado através da Equação 7, onde se define a incerteza a partir de Kline e McClintock (MOFFAT, 1988), que leva em consideração os erros das variáveis associadas à nova grandeza. (7)
14 4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 Fabricação do Acumulador O formato pensado para o acumulador apresentar o menor tempo de resposta para acumulação e descarga de energia térmica consistiu em uma geometria formada por placas planas e finas, encaixadas de modo a formar uma espécie de grelha, por onde passa o escoamento de ar quente. Procurou-se usar somente parte do comprimento disponível da seção de ensaio, para que a diferença de temperatura entre a superfície e o fluído de trabalho não alcançasse valores muito pequenos. Dado que o material utilizado para a fabricação do acumulador térmico foi resina poliéster cristal com adição de catalisador, foi necessária a fabricação de um molde onde a resina foi vazada para gerar a geometria desejada. O molde utilizado é aberto e possui um fundo formado por uma lâmina de plástico e laterais formadas por ripas de madeira colocadas em um formato retangular, de forma que a resina vazada dentro da área retangular formasse uma chapa de aproximadamente 2 mm de espessura, conforme a Figura 5 abaixo: Figura 5 - Molde para fabricação da chapa de resina poliéster. Com a chapa pronta, foram então cortadas as peças necessárias para a montagem do acumulador com o auxílio de um disco de corte. Após a montagem foi adicionado ainda cerca de 200g de resina sobre a superfície do acumulador para conferir maior rigidez e completar a massa prevista em projeto de 1000 ± 50 g. O projeto do acumulador térmico pode ser visto na Figura 6, assim como o acumulador pronto, na figura 7. Figura 6 Projeto do acumulador térmico. Figura 7 - Acumulador térmico construído.
15 4.2 Fabricação e Calibração do Medidor de Vazão Entre os medidores analisados, o que foi considerado com maiores vantagens para a proposta do ensaio realizado foi o tubo de Pitot. Por apresentar mínima interferência no escoamento, menores são as chances de erros de leitura devido a essa interferência, além disso, problemas de lentidão na leitura de pressão diferencial devido à variação de vazão que tubos de Pitot podem apresentar não estarão presentes, pois o ensaio não é feito com bruscas mudanças de velocidade. A principal característica que levou a sua escolha, foi a facilidade de fabricação deste instrumento. A Figura mostra este em seu formato final. Figura 8 - Vista externa e interna do tubo de Pitot. Note que no mesmo foram utilizados como tomadas de pressão de estagnação dois tubinhos de pirulito, os quais possuíam formato propicio para tal fim. A sua disposição foi feita com base na figura 3, para auxiliar a obtenção da Velocidade média (Vm) e, por fim, da vazão. Um problema, no entanto, da utilização do Tubo de Pitot para a medição de velocidade de escoamento de ar a baixas velocidades é o fato da diferença entre a pressão de estagnação, p 0, e a pressão estática, ρ, ser muito pequena, o que gera algumas dificuldade quanto à sua determinação. Tal dificuldade já era esperado quando da escolha do equipamento, e teve o seu peso diminuído frente a disponibilidade de se usar um tubo em U inclinado do LETA. 4.3 Calibração do Medidor de Temperatura O medidor de temperatura utilizado no ensaio foi um sensor NTC, devido à sua pequena dimensão, o que causa uma menor obstrução no escoamento. Este sensor foi calibrado por comparação utilizando um sensor PT100 calibrado e com a seguinte curva de operação: T(ºC) = 2,5651R(Ω) - 257,54 (8) A calibração foi realizada imergindo os dois sensores juntos em uma garrafa térmica com água aquecida. Com o auxílio de um multímetro foram registradas as resistências de cada sensor para diferentes temperaturas da água, que diminuía a medida que era adicionada água fria na garrafa térmica. Após a calibração o sensor NTC foi posicionado em uma estrutura tubular para de PVC com diâmetro de 100 mm para o correto posicionamento do sensor na bancada durante o ensaio, como mostra a Figura 9. Para realizar as medições de temperatura foi utilizado um multímetro UNI-T modelo UT71 E. Este equipamento possui na escala utilizada de 400Ω uma resolução de 0,01Ω e uma incerteza associada de ± (0,3% + 8), o que corresponde a 0,3% do valor medido
16 combinado com 0,08 Ω. Com estes dois valores é possível então calcular o erro combinado associado à incerteza deste instrumento. Figura 9 - Sensor NTC em estrutura tubular. 4.4 Ensaio O ensaio do acumulador foi realizado na bancada de ensaios mostrada na Figura 10: Figura 10 - Esquema de montagem da bancada de ensaios (Fonte: Edital do projeto, 2014) O ensaio consistiu em posicionar o acumulador térmico na Seção de Ensaio (6) e medir a evolução da temperatura em regime de descarga e carga de calor na seção de ensaio (7). A evolução esperada da temperatura na saída da seção de ensaio pode ser visualizada na Figura 11. A geometria adotada na construção do acumulador térmico visa a obtenção do menor tempo tcd, que corresponde a 63% da evolução da temperatura a partir da temperatura mínima até a temperatura de operação TOP do ar. Outra função da geometria adotada é gerar a menor perda de carga possível na Seção de Ensaio, o que foi medido através de manômetros nas seções (5) e (7).
17 Figura 11 - Evolução esperada da temperatura na saída da seção de ensaio (Fonte: Edital do projeto, 2014) A tubulação da bancada foi feita de PVC com um diâmetro de 100 mm. O tubo de Pitot e o NTC foram utilizados para medir vazão e temperatura na seção (3) e temperatura na seção (8). Para gerar o fluxo de ar e o calor na tubulação foram utilizados um ventilador que gera uma velocidade média de 3 m/s e um aquecedor que aquece o ar até cerca de 70 ºC. Na Figura 12 se pode visualizar o ventilador e o aquecedor de ar. Figura 12 - Aquecedor (esquerda) e ventilador utilizados A seção de ensaio (Figura 13) possui dimensões internas de 46 cm de comprimento, 30 cm de largura e 15,5 cm de altura. Figura 13- Seção de Ensaio O acumulador construído possui uma massa de 964,3 g e dimensões de 25 cm de comprimento, 29,5 cm de largura e 15 cm de altura.
18 5 RESULTADOS 5.1 Calibração do NTC Os dados de resistência obtidos para os sensores NTC e PT100, assim como a temperatura calculada pela curva de operação do PT100, para alguns dos vários valores apurados, se encontram na tabela 1. Tabela 1: Dados coletados para a calibração do NTC R(Ω) NTC R(Ω) PT100 T(ºC) 148,47 131,55 79,898905 211,29 127,71 70,048921 253,51 125,54 64,482654 273,45 124,7 62,32797 309,34 123,6 59,50636 324,33 122,9 57,71079 345,9 122,4 56,42824 426,2 120,15 50,656765 468,3 117,1 42,83321 582,5 116,5 41,29415 1227,7 108,7 21,28637 A partir dos dados coletados foi possível calcular as curvas de calibração e de operação do sensor NTC com o auxilio do software MS Excel. A curva de calibração foi definida através de uma correlação exponencial, como pode ser visto na Figura 14. Aqui, todos os dados foram utilizados. Curva de Calibração do Sensor NTC 1400 Resistência (Ω) 1200 1000 800 600 400 y = 2439,1e -0,035x R 2 = 0,9932 Pontos Medidos Expon. (Pontos Medidos) 200 0 0 20 40 60 80 100 Temperatura (ºC) Figura 14 - Curva de Calibração do Sensor NTC A curva de operação do sensor NTC também foi definida, desta vez utilizando uma correlação logarítmica, como pode ser visto na Figura 15.
ΔP Tudo de Pitot (mm de coluna de água) 19 Curva de Operação do Sensor NTC 90 80 Temperatura (ºC) 70 60 50 40 30 y = -28,405Ln(x) + 221,94 R 2 = 0,9932 Pontos Medidos Log. (Pontos Medidos) 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Resistência (Ω) Figura 15 - Curva de Operação do Sensor NTC 5.2 Calibração do Tubo de Pitot A calibração do Tubo de Pitot foi feita utilizando-se como base o medidor utilizado pelo LETA na tubulação, uma placa de orifício cuja equação base para sua vazão era dada por: V = K Ac 2 P ρ Nesta equação K possui o valor de 0,0993; e a área em questão é a tubulação. A curva de calibração e operação do Tubo de Pitot podem ser vistas nas Figuras 16 e 17, respectivamente. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Curva de calibração, Tubo de Pitot 0 1 2 3 4 5 Velocidade (m/s) Figura 16. Curva de calibração do Tubo de Pitot. y = 1,5451x 1,0848 R² = 0,9734 (9)
Velocidade (m/s) 20 5 Curva de Operação - Tubo de Pitot 4 3 2 y = 0,6979x 0,8972 R² = 0,9734 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ΔP Tudo de Pitot (mm de coluna de água) Figura 17. Curva de operação do Tubo de Pitot. De maneira geral, a velocidade medida pelo Tudo de Piot foi em média 2,7 m/s maior que a do instrumento padrão. Com os dados da velocidade, basta multiplicar-se a velocidade por Ac e teremos então a vazão. Segundo nossos cálculos, esta possui o valor de 7,62 x10-3 m². 5.3 Ensaio com o acumulador O acumulador foi ensaiado frente a um cenário de vazão e temperatura de escoamento constantes a montante da seção de ensaio para verificação de sua velocidade de resposta. O valor de vazão medido a montante da seção de ensaio foi de 0,024 m 3 /s, os dados coletados de temperatura a jusante da seção de ensaio durante o ensaio podem ser visualizados na tabela 2. Tabela 2 Dados coletados durante o ensaio Tempo (s) T(ºC) a jusante da seção de ensaio 0 68,77-62,25 (temperatura mínima) 534 66,69 Vale salientar que o tempo começou a correr a partir da abertura da tampa da seção de ensaio para posicionamento do acumulador. Após 534 segundos o ensaio foi encerrado, pois neste instante foi atingido 63% da diferença máxima de temperatura obtida durante o ensaio. Desta forma, pode-se definir o tempo tcd de resposta como sendo de 534 segundos para o acumulador construído para este experimento.
21 6. CONCLUSÕES Com base no conteúdo apresentado, foi realizada a construção do acumulador térmico dentro dos parâmetros iniciais do projeto, visto a dificuldade de se trabalhar com a resina em questão. O tempo de resposta, frente a um teste com vazão de 0,024 m 3 /s e temperatura de 68,77 ºC, foi de 534 segundos. Quanto ao medidor de vazão, foi encontrada certa dificuldade na leitura das diferenças de pressão em baixas velocidades, já esperada quando da escolha do Tubo de Pitot. Esta escolha trouxe algumas complicações ao processo de medição de vazão, principalmente em relação à baixa resolução do tubo em U utilizado para baixas diferenças de pressão, mesmo após a sua calibração. Com a calibração, a velocidade indicada pelo Tubo de Pitot foi de 2,7 m/s maior que a indicada pelo instrumento padrão.
22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GARCIA, Enrique Lizarraga, MITSOS, Alexander. "Effect of heat transfers structures on thermoeconomic performance of solid thermal storage". Energy, 68, 2014. INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P.. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 6ª ed. LTC, Rio de Janeiro, 2011. MOFFAT, Robert J. "Describing the Uncertainties in Experimental Results". Experimental Thermal and Fluid Science, 1:3-17, 1988. SCHNEIDER, P. S.. "Medição de Velocidade e Vazão em Fluidos". Porto Alegre, Brasil, 2011. SCHNEIDER, P. S.. "Termometria e Psicrometria". Porto Alegre, Brasil, 2012. SCHNEIDER, P. S., RODRIGUES, L. J.. "Edital de Trabalho Final da Disciplina Medições Térmicas (Edição 2014-2)". UFRGS, 2014. YEMENICI, O., et. al. "An experimental investigation of flow and heat transfer characteristics over blocked surfaces in laminar and turbulent flows". International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, 2012.