UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE OTIMIZAÇÃO DE GEOMETRIA PARA ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA por Diego Persico Alves Roger Cecconello Mendes Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, dezembro de 2014.
2 RESUMO Este trabalho tem por finalidade desenvolver um protótipo de acumulador sólido de energia térmica por calor sensível, submetido a um escoamento de ar, de modo a otimizar a transferência de energia. Testa-se o protótipo em uma bancada composta por tubulação, onde escoa, impulsionado por ventilador, ar aquecido. Através de instrumentos calibrados medem-se temperaturas ao longo do tempo, bem como, vazões mássicas e volumétricas. Com estes dados calcula-se a constante de tempo térmica, e a taxa de energia acumulada pelo protótipo, comparando com um acumulador padrão. PALAVRAS-CHAVE: Acumulador de energia, geometria otimizada, energia térmica.
3 ABSTRACT This paper aims to develop a solid accumulator prototype thermal energy by sensible heat, subjected to an air flow in order to optimize the energy transfer. We test the prototype on a workbench composed of pipe, where flows, driven by fan, heated air. Through calibrated instruments temperatures are measured over time as well, mass and volumetric flow rates. With these data we calculate the thermal time constant, and the rate of energy accumulated by the prototype compared to a standard battery. KEYWORDS: Energy storage, optimized geometry, thermal energy.
4 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS A: Área [m²] m: Massa [kg] p: Pressão estatica [Pa] p0: Pressão de estagnação [Pa] T: Temperatura [ºC] v: Velocidade [m/s] V: Volume [m³] ρ: Massa específica [kg/m³] c: calor específico do fluido [J/Kg.oC] LISTA DE FIGURAS Figura.1 Tubo de Pitot usado na seção (3), Acumulador usado na seção (6), NTC usado na seção (8); Figura.2 Acumulador de energia térmica. Figura.3 Acumulador de energia térmica na balança. Figura.4 Tubo de Pitot. Figura.5 Curva de calibração do NTC. Figura.6 NTC usado no experimento. Figura.7 Multímetros usados no teste. Figura.8 Gráfico da temperatura pelo tempo, constante de tempo.
5 SUMARIO I. RESUMO II. ABSTRACT 1. INTRODUÇÃO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Condução transiente do calor. 3.2 Medições de parâmetros térmicos. 3. METODOLOGIA 4. RESULTADOS 5. CONCLUSÕES 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
6 INTRODUÇÂO O presente trabalho abordou o tema do acúmulo de energia térmica. Este tema mantém importância mesmo com o passar do tempo, pois inovações de métodos e materiais otimizam o acúmulo de energia. Hoje há soluções com acumuladores para sistemas térmicos que garantem o funcionamento e geram economia nestes sistemas. Como exemplo o sistema de refrigeração de shopping center, a maior carga térmica, ou seja, necessidade de refrigeração, acontece no horário de maior custo da energia elétrica. Um acumulador térmico, neste caso, tem a função de armazenar energia no período de menor custo da energia elétrica e usa-la posteriormente quando é mais cara. O trabalho objetivou construir um acumulador de energia por calor sensível, sólido, submetido a uma corrente forçada de ar, e a uma temperatura prescrita de operação, que resultasse em um menor tempo possível de acumulação e descarga de energia térmica Usou-se como material resina poliéster cristal, solidificada com auxílio de um catalisador, com massa de 1000 ± 50g. Buscou-se uma geometria que resultasse em um menor tempo possível de acumulação e descarga de energia térmica para o acumulador, e menor perda carga ao escoamento. E realizaram-se testes, em bancada experimental instalada no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos LETA. Usando instrumentos de medição adquiriram-se os dados necessários para calcular a constante de tempo térmica do acumulador, parâmetro avaliador do trabalho.
7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Condução transiente do calor O acumulador de energia passa por processo de transferência de calor por convecção ao entrar em contato com um escoamento de ar à uma temperatura mais alta que o próprio. Essa transferência de calor acontece em regime transiente, pois a diferença de temperatura varia com o tempo. Para o trabalho modelamos a transferência de calor pelo modelo da capacitância global. Este modelo desconsidera os gradientes de temperatura dentro do corpo sólido, considerando que o corpo esta à mesma temperatura. Isto permite calcular o parâmetro chamado constante de tempo térmica [τ], através da equação descrita abaixo. Eq:1. Eq:2. Eq:3. Onde: é a resistência térmica à transferência de calor por convecção. é o coeficiente de transferência de calor por convecção. A é a área superficial do sólido. é a capacitância térmica global. é a densidade específica do sólido. é o volume do sólido. é o calor específico do material. Por definição a constante de tempo térmica (τ), é o tempo que se leva para alcançar 63,2% da temperatura inicial. Medições de parâmetros térmicos Para mensurar a constante de tempo térmica do acumulador se faz necessário conhecer a taxa de volume de ar, ou seja, vazão volumétrica, bem como sua massa e temperatura.
8 Usou-se no trabalho um tubo de Pitot para medir a velocidade do ar, e, por conseguinte a vazão, e um NTC para medir a temperatura do ar. Tubo de Pitot O tubo de Pitot é um instrumento que permite calcular a velocidade de um escoamento através da medição de duas pressões, pressão estática e pressão de estagnação. A diferença dessas duas pressões resulta na terceira, pressão dinâmica. Pela qual se calcula a velocidade do escoamento através da equação abaixo. Onde: Eq:4. ( ) é a velocidade do escoamento. é a pressão de estagnação. é a pressão estática. é a densidade específica do fluido. Termistor NTC (negative temperature coeficiente - coeficiente de temperatura negativa) Os termistores apresentam um comportamento de diminuição da resistência com o aumento da temperatura. É feito de material semicondutor e possui comportamento não linear. Por isso o NTC necessita de calibração, que relaciona a variação da resistência elétrica em função da variação da temperatura do meio. METODOLOGIA Utilizou-se para o trabalho: Resina poliéster cristal, e catalisador, com massa de 1000 ± 50g. Tubo de Pitot. Termistor NTC. Bancada de testes do LETA, Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos.
9 Ar escoa pela tubulação da bancada a uma vazão constante, impulsionado por um ventilador, é aquecido num primeiro trecho por um fluxo constante de calor, passa pela caixa de teste e retorna ao ambiente, mediu-se a temperatura do ar na saída da tubulação para o ambiente externo, num primeiro momento sem o acumulador, então colocou-se o acumulador na caixa de teste e mediu-se a temperatura do ar na saída da tubulação sucessivamente em intervalos de 10 segundos, até o sistema entrar em regime permanente, ou seja, a temperatura não variar mais. O esquema da bancada de teste é o descrito pela figura abaixo. Figura.1 Tubo de Pitot usado na seção (3), Acumulador usado na seção (6), NTC usado na seção (8); O objetivo do trabalho consistia em produzir um acumulador com menor constante de tempo possível. Conforme mostra a Eq:1.e considerando as restrições impostas, material e peso especificados, pode-se influenciar a constante apenas modificando o termo da resistência térmica a convecção. Portanto buscou-se uma grande área superficial (A) para o acumulador sem que essa gerasse muita perda de carga, além de impor rugosidade a superfície para aumentar o coeficiente de transferência de calor por convecção (h). Resultando na geometria vista nas figuras abaixo.
10 Figura.2 Figura.3 O tubo de Pitot usado para medir a vazão de ar, foi produzido com tubulação de cobre de 3/8 de polegada, com dimensões em [mm] de 9,52 diâmetro externo e 7,94 diâmetro interno. Foi acoplado à um manômetro em U. Montado como mostra a figura abaixo.
Resistência - Ohm [ KΩ ] 11 Figura.4 Para medir temperatura usou-se o NTC, que foi calibrado, foi acoplado à multímetros digitais como visto nas figuras abaixo. Curva de Calibração 14 12 10 8 6 4 y = 2-7E-05x 3 + 0,0155x 2-1,15x + 31,23 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura - Celsius [C ] Figura.5
12 Figura.6 Figura.7 RESULTADOS Após colher os dados do NTC, com uso da curva de operação chegou-se à constante de tempo para a temperatura e vazão pré-determinadas. Cerca de 8min15s é a constante observada, para as temperaturas inicial e final, respectivamente, de 23 [ºC] e 68 [ºC] Como mostra a figura a seguir.
13 69,00 Constante de Tempo 68,00 67,00 66,00 65,00 64,00 63,00 62,00 Figura.8 CONCLUSÕES Comparando-se o acumulador, desenvolvido neste trabalho, com o acumulador padrão, nota-se que a geometria é um fator relevante para a constante de tempo, como se previa pela teoria. Há de se buscar em trabalhos futuros uma geometria que obtenha bons resultados para vazões diferentes da usada neste. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F. P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6a ed., 2008 SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html. SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/temperatura.html.