UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DO TEMPO DE RESPOSTA DE UM

ACUMULADOR DE ENERGIA SUBMETIDO A UM ESCOAMENTO DE AR

por

Albert Ohira Dias

Luiz Fernando Pezzi

Trabalho final da disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Dezembro, 2014.

AGRADECIMENTO

Em primeiro lugar agradecemos a nossos pais por todo apoio, educação e carinho dados

durante nossas vidas. Graças a eles temos a chance de lutar por nossos sonhos.

Agradecemos aos nossos mestres, pelo conhecimento e pelas lições ensinadas ao longo do

curso.

Somos gratos também a todos os amigos que conhecemos durante estes anos de engenharia.

Foi um prazer tê-los ao nosso lado.

3

Dias, A.D.; Pezzi, L.F.; CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DO TEMPO DE RESPOSTA DE UM

ACUMULADOR DE ENERGIA SUBMETIDO A UM ESCOAMENTO DE AR. Relatório

da cadeira de Medições Térmicas – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade

Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014.

RESUMO

Nesse trabalho foi desenvolvido e analisado um protótipo de acumulador de energia térmica. O

mesmo foi projetado e construído com o principal objetivo de se obter o menor tempo de

resposta em um regime de acumulação de energia térmica, quando submetido a uma corrente de

ar forçada com temperatura prescrita. O acumulador é fabricado de Resina Poliéster Cristal, tem

massa nominal de 1 kg e seu tamanho é limitado pelas dimensões internas da seção de ensaios:

46 cm de comprimento, 30 cm de largura e 15,5 cm de altura. O protótipo é testado em uma

bancada de testes instrumentada com sensores de vazão e temperatura, onde se impôs um

escoamento utilizando um ventilador com rotação constante. Foi construído um tubo Venturi

como instrumento de medição de vazão e foi utilizado um NTC como sensor de temperatura.

Estas medições foram comparadas com medições de sensores fornecidos pelo laboratório.

Devido à pequena relação entre o diâmetro da garganta do Venturi e o diâmetro do duto, a

diferença de pressão obtida foi muito elevada para as condições do ensaio impossibilitando as

medições.

PALAVRAS-CHAVE: Acumulador de Energia Térmica, Medições Térmicas, Fenômenos de

Transporte.

4

Dias, A.D.; Pezzi, L.F.; DEVELOPMENT AND ANALISIS OF A THERMAL ENERGY

ACCUMULATOR TIME RESPONSE APPLIED TO AN AIR FLOW. Report of Thermal

Measures subject – Mechanical Engineer Department, Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, Porto Alegre, 2014.

ABSTRACT

In this work a thermal energy accumulator is developed and analyzed. This accumulator

is designed and built with the objective to have the smallest thermal constant rate possible when

exposed to a forced air flow with prescribed temperature. The accumulator was manufactured in

Polyester Resin Crystal, with 1 kg nominal. Its size is limited by the test section internal

dimensions: length 46 cm, width 30 cm and height 15.5cm. The prototype was tested at an

instrumented bench with flowmeters and temperature sensors. A fan with constant rotation was

used to create the flow. In addition to this, it was designed and developed flowmeters and

temperature sensors. The measurements of the developed sensors were compared with the

laboratory equipment measures.

KEYWORDS: Thermal Energy Accumulator, Thermal Measures, Transport Phenomena.

5

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AET Acumulador de Energia Térmica

RPC Resina Poliéster Cristal

TC Trocadores de Calor

MCG Método da Capacitância Global

6

LISTA DE SÍMBOLOS

A Área da seção transversal do duto [m]

Cp Calor específico do ar à pressão constante ≈ constante = 1004,8 [𝐽

𝑘𝑔∗𝐾]

g Aceleração da gravidade 9,81 [𝑚

𝑠2]

p Pressão [Pa]

q Taxa de calor transferido [W]

T Temperatura [K ]

V Velocidade [𝑚

𝑠]

β Razão entre os diâmetros adimensional

ρ Densidade [𝐾𝑔

𝑚3]

h Coeficiente [𝑊

𝑚2.𝐾 ]

As Área Superficial [𝑚2] T∞ Temperatura do Escoamento [𝐾] 𝒔𝒂𝒊 Energia perdida pelo sólido para o fluido [𝑊] 𝒂𝒄𝒖 Energia acumulada no Acumulador [𝑊] E Fator de velocidade de Aproximação adimensional

𝑫𝟏 Diâmetro seção inicial [𝑚] 𝐃𝐭 Diâmetro da garganta [𝑚] 𝒄 Calor específico em [J/(kg.K]

𝜽𝒊 Temperatura relativa inicial [K]

𝜽 Temperatura relativa em análise [K]

7

SUMÁRIO

RESUMO ....................................................................................................................................... 3

ABSTRACT ................................................................................................................................... 4

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................................. 5

LISTA DE SÍMBOLOS ................................................................................................................ 6

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 8

2 REVISAO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 9

3 FUNDAMENTAÇÃO .......................................................................................................... 10

3.1 TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO ........................ 10

3.2 MÉTODO DA CAPACITÂNCIA GLOBAL ............................................................. 10

3.3 INSTRUMENTOS MEDIDORES DE VAZÃO ........................................................ 11

3.4 INSTRUMENTO MEDIDOR DE PRESSÃO ........................................................... 13

3.5 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO ................................................................................... 14

3.6 PROPAGAÇÃO DE INCERTEZAS .......................................................................... 14

4 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ........................................................................................ 15

4.1 PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA ............................ 15

4.2 PROTÓTIPO DE MEDIDOR DE VAZÃO ............................................................... 16

4.3 BANCADA DE ENSAIOS ........................................................................................... 17

5 RESULTADOS E DISCUSSOES ....................................................................................... 19

5.1 ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA ............................................................ 19

5.2 TUBO VENTURI ......................................................................................................... 19

5.3 INTRUMENTO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA .......................................... 21

6 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 22

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................... 23

CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................... Erro! Indicador não definido.

8

1 INTRODUÇÃO

Nesse trabalho foi realizada a construção de um protótipo de Acumulador de Energia

Térmica (AET). A motivação de este trabalho surgiu inicialmente da utilização de acumuladores

térmicos em um secador de frutas presente na fazenda de educação ambiental Quinta da

Estância. No caso do secador é desejável a maior constante de tempo possível. Percebendo-se a

dificuldade relativa ao tempo necessário para realizar ensaios de maior constante de tempo foi

decidido que esta não seria mais a motivação do trabalho e os grupos buscariam obter a menor

constante de tempo possível.

O material escolhido para os protótipos de AET foi Resina Poliéster Cristal (RPC). Este

material é vendido em forma líquida e é utilizado para fabricação de telhas translúcidas, vitrô e

peças artesanais. Apresenta alta viscosidade, ótimo moldabilidade e ao reagir com o catalisador

Butanox se torna sólido em cerca de três horas. Foi determinado que os grupos deveriam

construir protótipos de AET com a menor constante de tempo utilizando este material para um

peso nominal de 1 kg e dimensões limites relativas à seção de ensaio: comprimento 46 cm,

largura 30 cm e altura 15,5 cm.

O objetivo do trabalho foi projetar e ensaiar o Acumulador de Energia Térmica com

menor tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga térmica, ou seja, obter a

menor constante de tempo. Uma vez que o material, sua massa e suas dimensões são

padronizados para obter uma menor constante de tempo buscou-se a geometria com menor

inércia térmica. Para isto foi desejável obter a maior área superficial e que esta estivesse o

máximo possível em contato com o escoamento. A instrumentação para medição de vazão e

temperatura foi desenvolvida pelos alunos e teve seus resultados comparados com os

equipamentos do laboratório buscando-se o menor desvio possível.

9

2 REVISAO BIBLIOGRÁFICA

A energia térmica fornecida pelo Sol para nosso planeta é intrinsicamente um fenômeno

transiente. Os altos custos relativos à energia elétrica para funcionamento de sistemas térmicos

geraram a necessidade de utilização de acumuladores térmicos.

O preço da energia elétrica é função do horário na qual ela é utilizada. Grandes

estabelecimentos comerciais com elevada ocupação entre as 18 e 22 horas, costumam utilizar

acumuladores de energia térmica (grandes torres de água) para estocar ‘’frio’’ produzido nos

horários de tarifa menor e utilizá-la no horário de pico. Estes grandes acumuladores se tornam

viáveis principalmente para shoppings, devido a grande carga térmica a ser refrigerada e às

características de ocupação elevada no horário citado.

Sistemas de aquecimento com energia solar também utilizam acumuladores térmicos para

armazenar o calor proveniente da radiação solar e ter ela disponível pelo maior tempo possível.

Conforme descrito por Javier Nacif H., 2010, é possível armazenar calor para estes sistemas em

tanques de água, utilizando sólidos ou em materiais em troca de fase. O benefício do

armazenamento em tanques da água está no alto calor específico, possibilitando grande

capacidade de armazenamento em massa e volume reduzidos.

Em Acumuladores de Energia Térmica normalmente busca-se manter o calor pelo

máximo de tempo possível no acumulador. Para isto é desejável que as perdas de calor do AET

sejam minimizadas, através de uma geometria favorável (pouca área para determinado volume) e

utilização de materiais com baixa condutividade térmica.

No projeto do nosso Acumulador de Energia Térmica a busca foi por uma pequena

constante de tempo, rápida resposta a variações de temperatura. Nesse aspecto pode-se fazer um

paralelo entre nosso AET e Trocadores de Calor (TC). Conforme descrito por Frank P.

Incropera, 2005, ‘’O processo de troca de calor entre dois fluidos que estão a diferentes

temperaturas e se encontram separados por uma parede sólida ocorre em muitas aplicações de

engenharia. O equipamento usado para implementar essa troca é conhecido como trocador de

calor, e suas aplicações específicas podem ser encontradas no aquecimento de ambientes e no

condicionamento de ar, na produção de potencia, na recuperação de calor em processos e no

processamento químico.’’. Para obtenção de rápida resposta às variações de temperatura, foram

utilizados conceitos básicos de trocadores de calor no AET.

10

3 FUNDAMENTAÇÃO

3.1 TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO

A variação da temperatura no Acumulador ocorre devido ao ganho de calor por convecção. A

taxa de transferência de calor por convecção é dada pela equação 1:

𝑞 = ℎ𝐴𝑠(𝑇 − 𝑇∞) (1)

Na qual “q’’ é a taxa de transferência de calor convectivo em Watt [W], “h’’ é o coeficiente

convectivo em Watts por metro quadrado Kelvin [𝑊/(𝑚2. 𝐾)], “𝐴𝑠” é a área da superfície do

sólido em metros quadrados [𝑚2], “T” a temperatura do sólido em Kelvin [K], "𝑇∞" a

temperatura do fluido em Kelvin [K].

3.2 MÉTODO DA CAPACITÂNCIA GLOBAL

Utilizando a hipótese de que a temperatura do sólido é uniforme no espaço, em qualquer

instante durante o processo transiente, podemos modelar o problema utilizando o Método da

Capacitância Global (MCG), essa hipótese implica que os gradientes no interior do sólido sejam

desprezíveis. Este método pode ser aplicado quando a resistência à condução no interior do

sólido for pequena em comparação à resistência à transferência de calor entre o sólido e a sua

vizinhança. Realizando um balanço de energia na fronteira do acumulador obtemos um balanço

entre a taxa de perda de calor na superfície com a taxa de variação de sua energia interna,

conforme podemos observar na equação 2:

− 𝐸𝑠𝑎𝑖 = 𝑎𝑐𝑢 (2)

ou

−ℎ𝐴𝑠(𝑇 − 𝑇∞) = 𝜌𝑉𝑐𝑑𝑇

𝑑𝑡 (3)

onde “h’’ é o coeficiente convectivo em Watts por metro quadrado Kelvin [𝑊/(𝑚2. 𝐾)], “𝐴𝑠” é

a área da superfície do sólido em metros quadrados [𝑚2], “T” a temperatura do sólido em

Kelvin [K], "𝑇∞" a temperatura do fluido em Kelvin [K]. Do lado direito da equação 𝜌 é o massa

específica em [kg/m³], “𝑐” o calor específico em [J/(kg.K], "𝑑𝑇

𝑑𝑡" é a variação da temperatura do

acumulador em função do tempo [K/s].

Manipulando essa igualdade e realizando a integração dos dois lados é obtido a equação

abaixo:

𝜌𝑉𝑐

𝐴𝑠𝑙𝑛

𝜃𝑖

𝜃= 𝑡 (4)

11

onde "𝜃𝑖" é a temperatura inicial dada por 𝜃𝑖 = 𝑇𝑖 − 𝑇∞ em Kelvin [K], "𝜃" a temperatura no

momento em análise 𝜃 = 𝑇 − 𝑇∞ em Kelvin [K], “t” o tempo necessário para o sólido atingir a

temperatura “T” em segundos [s].

Aplicando a exponencial nos dois lados dessa equação obtemos a constante de tempo,

como pode ser visto na equação 5:

𝜏𝑡 =1

ℎ𝐴𝑠∗ 𝜌𝑉𝑐 (5)

Sendo 𝜏𝑡 a constante de tempo [s] e as demais variáveis nas unidades já explicadas

anteriormente.

3.3 INSTRUMENTOS MEDIDORES DE VAZÃO

A seguir é apresentado o equacionamento empregado para a determinação da vazão

volumétrica em medidores de vazão por obstrução para escoamentos incompressíveis.

O equacionamento visa estabelecer uma relação da vazão com a diferença de pressão medida a

montante e a jusante da obstrução. As expressões da vazão teórica são obtidas a partir das

equações da continuidade e de Bernoulli, considerando-se um fluido ideal, em escoamento

adiabático e sem atrito.

A equação de Bernoulli, aplicada a um fluido escoando ao longo de uma linha de

corrente, é dada por:

𝑝 +1

2𝜌𝑉² + 𝜌𝑔𝑧 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (6)

onde p é a pressão estática em determinado ponto do escoamento (Pa) , 𝜌 é a massa específica

do fluido (kg/m³), V é a velocidade do escoamento (m/s), g é a aceleração da gravidade (m/s²) e z

é a cota de altura do escoamento (m).

No caso dos medidores de vazão por obstrução, a equação de Bernoulli deve ser aplicada

em dois pontos de observação 1 e 2, antes e depois da obstrução respectivamente, como pode ser

visualizado na figura abaixo.

Figura 1 – Escoamento em um bocal genérico (Fonte: FOX e MCDONALD, 1995).

12

Tomando-se então as seções de observação 1 e 2 ao longo da linha de corrente, e

assumindo que a massa específica é constante (escoamento incompressível), que o escoamento é

permanente, sem atrito, sem diferença de cota z e com velocidade uniforme ao longo das seções

1 e 2, obtém-se:

𝑝1

𝜌+

1

2𝑉1

2 = 𝑝2

𝜌+

1

2𝑉2

2 (7)

onde 𝑝1 é a pressão estática na seção 1 (Pa) , 𝑉1a velocidade do escoamento na linha de corrente

na seção 1 (m/s), 𝑝2 a pressão estática na seção 2 (Pa), 𝑉2a velocidade do escoamento na linha de

corrente em análise na seção 2 (m/s) e 𝜌 a massa específica do fluído (kg/m³).

Também respeitando condições acima expostas, a equação da continuidade é dada por:

𝐴1𝑉1 = 𝐴2𝑉2 (8)

onde 𝐴1 e 𝐴2 representam, respectivamente, a área da canalização em 1 e a área da veia

contraída em 2, 𝑉1a velocidade do escoamento na linha de corrente na seção 1 (m/s) e 𝑉2a

velocidade do escoamento na linha de corrente em análise na seção 2 (m/s) econforme pode ser

visualizado na Figura 1.

Combinando-se as equações (7) e (8), obtém-se uma expressão para a velocidade 𝑉2 na

descarga da obstrução e consequentemente para a vazão Q em m³/s, em função da diferença de

pressão:

𝑄

𝐴2= 𝑉2 ≈ [

2(𝑝1−𝑝2)

𝜌(1−𝐷2

4

𝐷14)

]

1/2

(9)

onde Q é a vazão (m³/s), 𝐴1 e 𝐴2 representam, respectivamente, a área da canalização em 1 e a

área da veia contraída em 2, 𝑉2a velocidade do escoamento na linha de corrente em análise na

seção 2 (m/s), 𝑝1 é a pressão estática na seção 1 (Pa), ), 𝑝2 a pressão estática na seção 2 (Pa), 𝐷1

o diâmetro da canalização na seção 1 (m), 𝐷2 o diâmetro da vena contracta do escoamento (m) e

𝜌 a massa específica do fluído (kg/m³).

A determinação do diâmetro 𝐷2 é difícil de ser executada. Dessa forma, no seu lugar

emprega-se o diâmetro da obstrução 𝐷𝑡, conforme a Figura 1, incorporado por intermédio da

razão entre diâmetros β dada por:

𝛽 = 𝐷𝑡

𝐷1 (10)

onde 𝐷1 o diâmetro da canalização na seção 1 (m) e 𝐷𝑡 o diâmetro da garganta do dispositivo

(m). O valor de da razão entre diâmetros é incorporado pelo fator de velocidade de aproximação

E, tal que:

𝐸 = 1

√1−𝛽4 (11)

13

onde E é o fator de velocidade de aproximação e 𝛽 a razão de diâmetros.

Dessa forma, a equação (9) para a vazão em m³/s pode ser reescrita como:

𝑄𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐸 𝐴𝑡√2(𝑝1−𝑝2)

𝜌 (12)

onde 𝑄𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 é a vazão teórica do escoamento levando em conta a razão de diâmetros (m³/s), E o

fator de velocidade de aproximação, 𝛽 a razão de diâmetros, 𝐴𝑡 a área da seção transversal da

garganta (m²), ), 𝑝1 é a pressão estática na seção 1 (Pa), ), 𝑝2 a pressão estática na seção 2 (Pa) e

𝜌 a massa específica do fluído (kg/m³).

A equação acima é uma expressão de vazão teórica, não considerando as perdas devido

ao atrito de escoamento. Para corrigir este problema, introduz-se o coeficiente adimensional de

descarga Cd, tal que:

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝐶𝑑𝐸𝐴𝑡√2(𝑝1−𝑝2)

𝜌 (13)

onde 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 é a vazão real (m³/s), Cd o coeficiente de descarga, E o fator de velocidade de

aproximação, 𝛽 a razão de diâmetros, 𝐴𝑡 a área da seção transversal da garganta (m²), ), 𝑝1 é a

pressão estática na seção 1 (Pa), ), 𝑝2 a pressão estática na seção 2 (Pa) e 𝜌 a massa específica

do fluído (kg/m³).

Esta é a equação final para cálculo de vazão através de medidor por obstrução, em função

da diferença de pressão medidas a montante e a jusante da obstrução.

O coeficiente de descarga Cd pode ser obtido em tabelas em função do número de

Reynolds e do diâmetro interno dos tubos, ou através de calibração experimental. A diferença de

pressão é obtida através de tomadas de pressão estática medidas a montante e a jusante da

obstrução

3.4 INSTRUMENTO MEDIDOR DE PRESSÃO

Um manômetro de tubo inclinado é um instrumento que serve para medir diferenciais de

pressão com maior precisão, já que tem a vantagem de operar com escalas de maior graduação

que os manômetros verticais, para a mesma variação de pressão (SCHNEIDER, 2007).

Três parâmetros definem a sensibilidade do manômetro de tubo inclinado: a densidade do

fluido manométrico, a inclinação do tubo e a relação de diâmetros. Esses parâmetros devem ser

os menores possíveis a fim de se obter uma boa sensibilidade. O líquido manométrico deve

possuir a menor densidade relativa possível, ser atóxico, não inflamável, possuir pequenas perdas

por evaporação e ter uma coloração para melhorar sua visibilidade. A razão de diâmetros deve

ser a menor possível para que a maior parte da variação no nível do líquido ocorra no tubo de

medição (FOX et al, 2006).

14

3.5 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO

Os instrumentos de medição fornecem dados aproximados de uma grandeza de um

fenômeno. Logo, sabe-se que há uma divergência entre o valor medido e o valor real. Esta

diferença é definida como o erro associado à medição, podendo ser causado tanto por fenômenos

aleatórios quanto por problemas na instrumentação.

3.6 PROPAGAÇÃO DE INCERTEZAS

É comum, após a medição de um experimento, utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas. Neste processo, as novas grandezas são acompanhadas com os erros das

variáveis utilizadas.

15

4 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

4.1 PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA

O protótipo de AET construído apresentava algumas restrições tais como material, peso e

tamanho, este último limitado pelas dimensões internas da seção de ensaios: 46 cm de

comprimento, 30 cm de largura e 15,5 cm de altura. Estipulou-se resina poliéster cristal,

solidificada com auxílio de um catalisador como material utilizado para confecção do

acumulador que deveria apresentar massa final de 1000 ± 50 g.

Visto as restrições de construção do acumulador, verifica-se que o aspecto mais importante

visando o menor tempo de resposta para um regime de acumulação de energia térmica possível é

a geometria do acumulador. Através da equação 1, observa-se que quanto maior a área

superficial do acumulador em contato com o escoamento, maior será o fluxo de calor entre

escoamento e acumulador, causando assim, um aquecimento mais rápido do AET.

Sabe-se que o uso de superfícies aletadas é a ferramenta utilizada para aumento da área

superficial para uma mesma quantidade de massa de um determinado componente. Baseado

neste conceito vastamente aplicado em trocadores de calor buscou-se construir um acumulador

com aletas.

Utilizaram-se duas formas de gelo caseiras como molde para a resina, que depois de

solidificada foram unidas formando uma geometria com área superficial maior se comparado

com outras geometrias simples e espera-se assim que haja um maior fluxo de calor resultando em

um menor tempo de resposta do acumulador.

Figura 2 - Protótipo de Acumulador de Energia Térmica fabricado em resina poliéster cristal.

Configuração final.

16

4.2 PROTÓTIPO DE MEDIDOR DE VAZÃO

Dentre os diversos tipos de instrumentos de medição de vazão existentes, optou-se pela

construção de um Venturi. A escolha do Venturi baseou-se no fato de este instrumento impor

uma baixa perda de carga ao escoamento se comparado com outros instrumentos como placa de

orifício e bocal medidor como pode ser visualizado na figura abaixo.

Figura 3 - Perda de carga em medidores por obstrução (Fonte: FOX e MCDONALD, 1995).

Através da figura acima, observa-se que os medidores de vazão de placa de orifício e

bocal possuem uma perda de carga elevada, geralmente com valores acima de 50%, enquanto o

tubo Venturi apresenta valores consideravelmente menores, com perdas de carga inferiores a

30%, justificando assim, a sua escolha como medidor de vazão deste trabalho.

Outro dado importante que pode ser verificado na figura acima é que um dos fatores que

influenciam na perda de carga é a razão entre os diâmetros da obstrução e da canalização.

A construção do tubo Venturi foi realizada utilizando os seguintes materiais: duas garrafas de

refrigerante de 2,5 L, cola para tubos PVC, fita isolante e canos de PVC de 100 mm de diâmetro.

O protótipo final do tubo Venturi construído pode ser verificado na figura abaixo. Obteve-se

uma razão de diâmetros com valor de 0,21. Observa-se através da figura 3 que esteve valor é um

dos menores valores adotados para tubos Venturi acarretando assim em uma maior perda de

carga. Entretanto, devido à facilidade de construção do tubo Venturi com estes materiais e o

baixo custo envolvido e observando que mesmo com um valor de 0,21 a perda de carga é

teoricamente menor do que a de outros tipos de medidores de vazão optou-se por essa

construção.

17

Figura 4 – Tubo Venturi construído. Configuração final.

4.3 BANCADA DE ENSAIOS

A bancada experimental sobre a qual o comportamento dos acumuladores foi ensaiado é

mostrada esquematizada na figura abaixo:

Figura 5 – Esquematização da bancada de ensaio [Fonte: Edital do projeto, 2014].

Essa bancada foi projetada e construída pelo Laboratório de Estudos Térmicos e

Aerodinâmicos (LETA), não fazendo parte da construção do protótipo do presente relatório.

Verifica-se a presença de instrumentos de medição de vazão, temperatura e pressão, assim como

o meio propulsor de ar (ventilador), aquecedor e a localização da seção de ensaios.

18

Ar a temperatura ambiente é admitido na bancada e forçado através do sistema por um

ventilador com rotação constante (1), a vazão resultante é medida por uma placa de orifício do

LETA (2) e segue então para uma segunda seção de ensaio (3) na qual é realizada a medição de

vazão através de um tubo Venturi que também é alvo de estudo deste trabalho. O ar segue para o

aquecedor (4) que eleva sua temperatura para cerca de 70 °C. A temperatura e pressão estática do

ar são lidas em (5) com instrumentos do Leta. O ar quente é injetado na seção de ensaios (6) e

posteriormente tem novamente sua temperatura e pressão estática lida em (7), com instrumentos

do Leta. Um sensor de temperatura PT100 é instalado em (8). Desse ponto em diante, o ar segue

até sua descarga para o ambiente.

19

5 RESULTADOS E DISCUSSOES

5.1 ACUMULADOR DE ENERGIA TÉRMICA

O Acumulador de Energia Térmica será ensaiado conforme explicado na seção 4.

Utilizando a evolução de temperaturas captadas pelo sensor de temperatura que está após a seção

de ensaio é possível traçar a curva de temperatura versus tempo de resposta do acumulador.

Inicialmente as temperaturas no termômetro posterior a seção de ensaio irão decair devido à

diminuição da temperatura do ar em contato com o AET que estará a zero grau Celsius. A

temperatura atingirá um mínimo e começará a subir até atingir uma temperatura máxima.

Espera-se um comportamento semelhante ao da figura 4. Observando a evolução das

temperaturas e traçando um gráfico será possível obter a constante de tempo a qual representa

63% do valor da temperatura final.

Devido a dificuldades logísticas relacionadas ao tempo necessário para refrigeração do

protótipo para realização do ensaio, decidiu-se que os resultados relacionados à constante de

tempo serão adicionados a este trabalho posteriormente. O bom desempenho do protótipo de

AET depende fundamentalmente da eficiência da geometria em trocar calor com o ar em

escoamento, sendo de suma importância a maior área possível em contato com o escoamento e o

maior coeficiente convectivo na interface escoamento AET.

Figura 6 - Evolução esperada da temperatura do ar na saída da seção de ensaio.

5.2 TUBO VENTURI

O protótipo de Venturi fabricado pelo grupo foi testado na bancada experimental. Após

diversas medições foi obtida uma diferença média de pressão estática de 60 mmCa (milímetros

de coluna d’água) entre a seção de 100 mm do Venturi e a garganta de 21 mm. Esta diferença de

pressão equivale a 588 Pa. Considerando a densidade do ar a 25°C igual como 1,1839 kg/m³ e

aplicando as equações apresentadas na seção 3, obtém-se uma vazão teórico de 1,550 E-2 m³/s.

Sabendo que o ventilador fornece uma velocidade constante de 3 m/s e que a tubulação tem

diâmetro de 100 mm, a vazão real é de 2,356 E-2 m³/s. Comparando a vazão real e a vazão

20

teórica é obtido um valor de coeficiente de descarga maior que a unidade, valor incoerente e

impossível, indicando que o diferencial de pressão medido foi inferior ao que deveria ser obtido.

Isso indica que o tubo Venturi construído pelo grupo necessita melhorias. Um valor

maior de diferencial de pressão deveria ter sido medido pelo Venturi, e consequentemente, um

valor maior da vazão teórica seria obtido e o coeficiente de descarga assumiria valores plausíveis

e menores que a unidade. Possíveis causas relacionadas a esta falha são:

(1) Vazamento de ar em algum ponto do Venturi, fazendo com que ar escape da

tubulação e a pressão estática interior seja menor;

(2) Devido à simples configuração do Venturi e à baixa qualidade do material e dos furos

de tomada de pressão, verificou-se que os bicos de tomada de pressão não foram bem

instalados. Verificou-se que os bicos de tomada de pressão estavam interrompendo o

escoamento, quando se sabe que estes devem ficar perfeitamente posicionados na

parede do tubo;

(3) Indica-se para uma próxima tentativa de construção Venturi, uma razão de diâmetros

maior, fazendo com que o escoamento não sofra uma brusca variação de velocidades.

A curva de calibração do Venturi é apresentada abaixo. Não foi possível prosseguir o

ensaio devido às limitações do Manômetro utilizado:

Figura 7 – Curva de Calibração do Venturi

y = 0,0009x0,5 R² = 1

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0 10 20 30 40 50 60 70

Vaz

ão m

³/s

Pressao mmCa

21

5.3 INTRUMENTO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA

O medidor NTC foi utilizado para medição das temperaturas no escoamento por ter bom

custo e fornecer a precisão adequada para a aplicação em questão. Os resultados obtidos foram

comparados com os fornecidos pelo laboratório e apresentaram um erro de aproximadamente 7

graus. A curva de calibração do NTC é apresentada abaixo.

Figura 8 – Curva calibração NTC

y = 0,6479x2 - 13,087x + 92,568 R² = 0,9911

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

0,00 5,00 10,00 15,00

Temperatura C

resistencia [kΩ]

Curva NTC

Temperatura C

Polinômio (Temperatura C)

22

6 CONCLUSÃO

A utilização de formas de gelo caseiras para a criação de duas camadas que formaram o

sólido deixando lacunas para que o escoamento escoasse por entre as camadas sem que houvesse

uma perda de carga muito elevada e buscando elevadas trocas térmicas com as superfícies do

Acumulador de Energia Térmica não se mostrou uma solução boa para o problema, pois seria

possível obter superfícies com maior área superficial.

A criação de um tubo Venturi para medição de vazão solidificou o embasamento técnico

da disciplina. Uma vez que o diferencial de pressão do Venturi foi superior ao da placa de

orifício e o Venturi apresentava garganta menor que a placa, imaginou-se que estava coerente a

medição de pressão encontrada. Entretanto, após aplicação do método apresentado na seção 3,

verificou-se que o coeficiente de descarga do Venturi construído é maior que a unidade, valor

este, incoerente. Consequentemente, o Venturi proposto pelo grupo necessita melhorias.

Acredita-se que prováveis causas para esta falha sejam vazamento de ar em algum ponto do

Venturi, provavelmente nas tomadas de pressão, onde os furos não foram feitos com a precisão e

qualidade necessária. As medições com NTC forneceram dados coerentes com a realidade e

apresentaram um erro aceitável dentro do contexto do trabalho.

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7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

SCHNEIDER, P. S.; Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos, Departamento de Engenharia

Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.

SCHNEIDER, P. S.; Medição de Pressão, Departamento de Engenharia Mecânica,

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012.

FOX, Robert e MCDONALD, Allan; Introdução à Mecânica dos Fluidos, LTC - Livros

Técnicos e Científicos Editora S.A, Rio de Janeiro, 2001.

INCROPERA, F. P e DEWITT, D. P.; Fundamentos de transferência de Calor e Massa, LTC

- Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, Rio de Janeiro, 2005.

MALISKA, C.R., Transferência de calor e mecânica dos fluidos computacional, LTC -

Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2004

Javier Nacif H; ACUMULACIÓN TÉRMICA PARA UN SISTEMA DE CALEFACIÓN

SOLAR ACTIVO, IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII

Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 2010.