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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR
por
Andressa M. Rodrigues
Eduardo A. Westerich
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Julho de 2014.
ii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 1
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................................... 1
CONVECÇÃO NATURAL E CONVECÇÃO FORÇADA ................................................. 2
RADIAÇÃO .......................................................................................................................... 2
MEDIÇÃO DE VAZÃO ....................................................................................................... 2
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ....................................................................................... 3
INCERTEZAS DE MEDIÇÃO ............................................................................................ 4
EFICIÊNCIA TÉRMICA DO COLETOR ........................................................................... 4
METODOLOGIA .................................................................................................................... 5
VALIDAÇÃO ........................................................................................................................... 7
RESULTADOS ........................................................................................................................ 8
CONCLUSÕES ........................................................................................................................ 9
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 9
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - a) medição da pressão estática. b) medição da pressão de estagnação. c)Esquema
de montagem de um tudo de Pitot.........................................................................................2
Figura 2 – Dimensões do coletor solar..................................................................................5
Figura 3 - Esquema de montagem da bancada para o ensaio................................................6
Figura 4 - Tubo de Pitot construído para o ensaio.................................................................6
Figura 5 - Termopar tipo E utilizado no experimento...........................................................7
Figura 6 - Experimento montado na bancada........................................................................7
Figura 7 - Tubo de Pitot colocado no tubo PVC pronto para medição de vazão..................8
Figura 8 - Calibração do instrumento de medição.................................................................8
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Tabela de conversão para termopar tipo E...........................................................4
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS
A: Área [m²]
h: Altura [m]
m: Massa [kg]
: Vazão mássica [kg/s]
P: Pressão [Pa]
T: Temperatura [ºC]
U: Tensão [V]
v: Velocidade [m/s]
V: Volume [m³]
: Vazão volumétrica [m³/s]
ρ: Massa específica [kg/m³]
Cp: calor específico do fluido [J/Kg.oC]
iv
RESUMO
O presente trabalho é realizado com o intuito de elaborar um coletor de ar solar a ser
acoplado num secador de frutos para aumentar a diferença de temperatura entre a entrada e
saída do mesmo.
A partir da medição de vazão volumétrica e mássica, com um tubo de Pitot, além da
temperatura, com o auxílio de um fio de extensão de um termopar do tipo E, é possível
verificar que o coletor projetado obteve uma diferença de temperatura entre a entrada e saída
do coletor de 23°C, vazão volumétrica de 2,96.10-2
m3/s, vazão mássica de 3,25.10
-2Kg/s.
Pelos resultados obtidos, podemos perceber que o uso de um leito de britas pintadas
com tinta acrílica preta junto com chicanas dispostas ao longo do coletor levou a uma
diferença de temperatura entre a entrada e saída bastante elevada, porém uma perda de carga
considerável.
PALAVRAS-CHAVES: coletor solar, leito de britas, chicanas, diferença de
temperatura.
v
ABSTRACT:
This paper is carried out in order to develop a solar air collector being coupled in a fruit
dryer to increase the temperature difference between the inlet and outlet of the same.
From the measurement of volumetric and mass flow with a Pitot tube, in addition to
temperature with the assistance of a extension cord of a thermocouple type E, it can be seen
that the collector designed obtained a temperature difference between the inlet collector
output and 23 °C, flow volume 2,96.10-2
m3/s, mass flow 3,25.10
-2 Kg/s.
From the results obtained, we can see that the use of a bed of crushed rock painted with
black acrylic paint with baffles arranged along the collector led to a temperature difference
between the inlet and very high output, but a considerable loss of load.
KEYWORDS: solar collector, bed of gravel, baffles, temperature difference.
1
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a busca por tecnologias que utilizem energia limpa está cada vez maior,
dado a crescente preocupação mundial pela sustentabilidade e que a energia solar é uma
substituta ou economizadora das fontes convencionais de energia. Pensando nisso este trabalho
tem como motivação a construção de coletores solares de baixo custo.
Os coletores solares térmicos são dispositivos de fácil construção, capazes de captar a
radiação solar e transmiti-la a um fluido, para seu posterior aproveitamento. Tais equipamentos
possuem vasta aplicação em secadores de frutas, grãos entre outras atividades tanto rurais,
quanto urbanas.
O trabalho foi proposto com o objetivo de aplicar os conhecimentos adquiridos na
disciplina de medições térmicas para a construção de um protótipo de coletor solar de ar que
será acoplado fisicamente a um ventilador, simulando assim o escoamento no coletor. Com o
intuito de otimizar o mesmo, aumentando a temperatura de saída e auxiliar a vazão, obtendo uma
boa eficiência térmica, além de utilizar sistemas de medições que comprovem o funcionamento
dele.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Schuck, 2012, em sua dissertação de mestrado sobre coletor solar para pré-aquecimento
do ar em sistemas de secagem para cura do tabaco, construiu um coletor de ar solar com leito de
britas para o pré-aquecimento do ar que antes era feito com lenha. Observou-se que a utilização
do coletor com 3 m² de área proporcionou a redução de 5,2% no consumo de lenha, o que
demonstrou a viabilidade econômica da utilização do sistema.
Konrad, 2009, construiu um coletor de ar solar com o objetivo de fazer uma análise de
eficiência térmica solar para captação de ar quente para fins diversos. Obteve os resultados de
ensaios realizados em laboratório que comprovaram a superioridade de uma superfície coberta
por britas pintadas de preto na transferência de energia para o ar, quando comparada com uma
superfície coberta por uma lona preta e com uma superfície de isopor. A superfície coberta com
britas pretas apresentou a maior diferença de temperatura entre entrada e saída do duto.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Um coletor solar é um tipo especial de trocador de calor que transforma energia solar
radiante em calor. As principais partes que compõe um coletor solar plano são: um invólucro
transparente à radiação solar sobre a superfície absorsora para reduzir as perdas por convecção e
radiação para a atmosfera; uma superfície absorsora de radiação como meio de converter a
radiação em calor e transferir ao fluido a energia absorvida; e uma superfície isolante que evite o
contato da base da superfície absorsora com o solo, para evitar perdas por condução (DUFFIE e
BECKMAN, 1991).
3.1 CONVECÇÃO NATURAL E CONVECÇÃO FORÇADA
A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos
(líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo
2
sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fluido
envolvendo transporte de matéria.
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do
escoamento do fluido. Refere-se à convecção forçada quando o escoamento é causado por meios
externos, tais como ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos. Em contraste, no caso de
convecção livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que são originadas a
partir de diferenças de densidades causadas por variações na temperatura do fluido.
3.2 RADIAÇÃO
A radiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um
de baixa quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles.
Na transmissão de calor, são de interesse apenas os fenômenos que resultam da diferença
de temperatura e podem transportar energia através de um meio transparente ou através do
espaço. A energia transmitida desta maneira é chamada de Calor Radiante.
Quando as ondas de radiação encontram algum objeto, sua energia é absorvida próxima à
superfície.
A transmissão de calor por radiação torna-se de importância crescente quando a
temperatura de um corpo aumenta.
3.3 MEDIÇÃO DE VAZÃO
TUBO DE PITOT
Existem diversas maneiras de medir vazão volumétrica. Dentre as mais simples está a
utilização de um tubo de Pitot. Seu princípio é baseado através da medição por pressão
diferencial, onde um elemento provoca uma diferença de pressão e através dessa variação é
possível medir a vazão, como mostra a figura a seguir.
Figura 1 - a) medição da pressão estática. b) medição da pressão de estagnação. c)Esquema
de montagem de um tudo de Pitot.
(Fonte: Departamento de química, universidade de Coimbra)
Portanto, é necessário ter duas pressões bem definidas e comparáveis. A primeira fonte
de pressão é a pressão de estagnação e a segunda tomada de pressão é de pressão estática, que é a
pressão atuante nas paredes do tubo. A diferença de pressão é conhecida como pressão dinâmica
[SHNEIDER, 2012].
3
Através da equação de Bernoulli, com as devidas simplificações, é possível descobrir a
velocidade do escoamento através da equação abaixo:
√
(1)
Sendo Po a pressão de estagnação e P a pressão estática. Também, sabe-se que a
diferença de pressão pode ser encontrada através da expressão abaixo:
(2)
Com o valor da velocidade é possível calcular a vazão volumétrica do ar através de:
(3)
Também, pode-se calcular a vazão mássica através da equação:
(4)
PLACA DE ORIFÍCIO
As placas de orifício são dispositivos de baixo custo de instalação e manutenção. Sua
grande desvantagem reside na perda de carga que impõe ao escoamento (intrusão importante),
em função da expansão a jusante da placa. A incerteza de medição desse dispositivo se situa em
cerca de 2 a 4% do fundo de escala [SHNEIDER, 2012].
A configuração mais comum é construída com um orifício concêntrico montado entre
flanges, que interrompe uma canalização ou canal fechado. A montagem da placa de orifício
requer um comprimento de tubo reto a montante do dispositivo de cerca de 10 a 30 diâmetros
para garantir o desenvolvimento completo da camada limite cinética. Já a colocação das tomadas
de pressão diferencial não seguem uma única padronização, e são escolhidas conforme a
necessidade da instalação [SHNEIDER, 2012].
Na tubulação de entrada do sistema foi instalada uma placa de orifício para determinação
da vazão volumétrica de entrada e posterior determinação da perda de carga do sistema. As
equações da placa de orifício são as seguintes:
(5)
√
(6)
(7)
4
3.4 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
Um sensor muito utilizado para medição de temperatura é o termopar, pois são de
simples utilização, robustos e de baixo custo.
O termopar é constituído de dois metais distintos que unidos por sua extremidade formam
um circuito fechado. O termopar desta maneira gera uma força eletromotriz (FEM), que quando
conectada a um instrumento de aquisição de dados consegue ler uma diferença de tensão gerada
pela diferença entre as temperaturas da junta. Através desta tensão, é possível encontrar o valor
da variação de temperatura correspondente em tabelas de calibração que o próprio fabricante
disponibiliza.
No experimento foi utilizado um fio de extensão de termopar que utiliza ligas de níquel-
cromo e cobre-níquel, popularmente conhecido por de tipo E. O termopar tipo E possui boa
resistência à abrasão e regular resistência à umidade, além de ter uma sensibilidade elevada e
baixo custo, sendo que podem ser utilizado em grandes faixas de temperaturas (-270°C a 1000°C).
O fio de extensão apresenta resultados confiáveis para temperaturas de até 300oC. A tabela de
calibração deste termopar encontra-se a seguir.
Tabela 1 – Tabela de conversão para termopar tipo E (Fonte: http://www.thermomax.com.br/)
3.5 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO
A incerteza define um intervalo em torno do resultado de medição no qual se espera
abranger grande parte dos resultados encontrados. Geralmente, o nível de confiabilidade
utilizado é de 95.45% [SHNEIDER, 2012]. Alguns dados dependem dos resultados
5
experimentais, e geram assim, uma incerteza combinada, onde os resultados calculados geram
uma incerteza devido à incerteza do valor medido.
O procedimento para medir a incerteza de medição é chamado de Propagação da
Incerteza de Medição, dado por:
((
)
(
)
)
⁄
(8)
Sendo até as variáveis dependentes, até os desvios padrão das variáveis
dependentes e V a equação para chegar ao dado esperado.
3.6 EFICIÊNCIA TÉRMICA DO COLETOR
A eficiência térmica total do coletor é dada por:
(9)
onde,
(10)
é a taxa de calor transferida para o ar, em Watts e G é a radiação incidente sobre o plano do
coletor solar.
4. METODOLOGIA
No protótipo foram utilizados: o corpo do coletor, com dimensões internas de
1mx0,3mx0,15m, com base construída com tábua de pinus de uma polegada e laterais feitas com
três chapas de compensado, com espessura total de 18mm; sete chicanas de 17cmx15cm cada,
25kg de brita de espessura média e um vidro simples. Com exceção do vidro, toda a parte interna
do coletor foi pintada de preto fosco, como pode ser observado na figura abaixo.
Figura 2 – Dimensões do coletor solar
6
O ar entra no coletor com velocidade de 21,74m/s através de um ventilador, passando por
sensores de temperatura, por uma placa de orifício para medição de vazão e após passar pelo
protótipo na saída existem outros sensores de temperatura e um Tubo de Pitot ligado a um
manômetro de tubo inclinado. A Figura 3 ilustra o experimento.
Figura 3 - Esquema de montagem da bancada para o ensaio
(Fonte: Edital de trabalho final da disciplina de medições térmicas. Edição 2014-1)
O coletor baseia-se na construção de trocadores de calor com chicanas, a fim de produzir a
maior troca de calor por convecção possível.
As chicanas conduzem o escoamento do fluido de forma ora cruzado, ora paralelo, o que
ocasiona certa turbulência e um maior tempo de residência do fluido do casco, levando a um
aumento da transferência de calor.
O coletor foi pintado de preto, pois seu coeficiente de absorção é máximo, fazendo com que
todo o calor que chega ao coletor seja absorvido.
Para a medição da vazão foi construído um tubo de Pitot como mostrado na Figura 4, e
utilizado um termopar tipo E para medir a temperatura, mostrado na Figura 5.
Figura 4 - Tubo de Pitot construído para o ensaio
7
Figura 5 - Termopar tipo E utilizado no experimento
A Figura 6 mostra o experimento montado na bancada, onde foram coletados os dados para
análises posteriores.
Figura 6 - Experimento montado na bancada
5. CALIBRAÇÃO
Para a medição da temperatura, sabe-se que o termopar do tipo E possui uma incerteza de
medição de mais ou menos 1,7°C para baixas temperaturas como é definido pelo fabricante. Já
na medição de vazão, tem-se a incerteza do manômetro de tubo em U inclinado, chega-se a
medidas de mais ou menos 0,254 mm de incerteza, mas também é preciso levar em consideração
a posição do Tubo de Pitot, que deve ser posicionado centrado, e paralelo ao escoamento para
não gerar erros maiores de leitura.
Abaixo, tem-se a foto do Tubo de Pitot dentro do tubo PVC, indicando a posição correta
para sua utilização.
8
Figura 7 - Tubo de Pitot colocado no tubo PVC pronto para medição de vazão
Além disso, os instrumentos foram aferidos e calibrados, como mostra a figura a seguir.
Figura 8 - Calibração do instrumento de medição.
6. RESULTADOS
A partir das equações (5), (6) e (7) com Kp=0,001286m2, g=9.81m/s
2 e =1,2kg/m
3 e
leitura do manômetro instalado na entrada do sistema de 29 mmH2O, determinaram-se os
valores de entrada velocidade, =21,74m/s, vazão volumétrica, =0,1724m3/s e vazão mássica,
=0,2068Kg/s. As medições realizadas com a instrumentação do laboratório para temperatura,
através da utilização de um PT100 na entrada e outro na saída, apresentaram Tent=23,78°C e
Tsaida=44,92°C.
Com o auxilio de um multímetro, foi possível medir a diferença de potencial induzida
pelo fio de extensão com valor de 1,42mV. Analisando a Tabela 1 chega-se a uma diferença de
temperatura entre a entrada e a saída de 23oC.
Com o tubo de Pitot, utilizando as equações (1), (2), (3) e (4) foi possível encontrar
velocidade, =3,78m/s, vazão volumétrica, =2,96.10-2
m3/s e vazão mássica, =3,25.10
-
2Kg/s.
9
7. CONCLUSÕES
A variação de temperatura obtida foi de 23 ± 1,7 ºC, sendo bastante similar aquele
estabelecido no ensaio que era de 21,14°C.
A velocidade do escoamento na saída do tubo foi de 3,78m/s e a vazão mássica de
=3,25.10-2
Kg/s. Conclui-se portanto que pelos resultados obtidos, podemos perceber que o uso de um
leito de britas pintadas com tinta acrílica preta junto com chicanas dispostas ao longo do coletor
levou a uma diferença de temperatura entre a entrada e saída bastante elevada, porém uma perda
de carga considerável.
Para trabalho futuros, podem-se utilizar outros materiais com a mesma função das britas
pretas, como por exemplo, pó de tijolo. Deve-se também utilizar instrumentos de medição com
resoluções maiores e com menores incertezas para que se possa verificar com mais detalhes o
comportamento do escoamento no coletor.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DUFFIE, J. A.; BECKMAN, W. A. Solar Engeneering of Thermal Process. 2ed. Nova
Iorque. Jonh Wiley, 1991.
INCROPERA, F. P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6a ed., 2008.
KONRAD, C.; BARBIERI, G.; PADILHA G.; DIETRICH, S. Coletor Solar para
Captação de Ar Quente. Porto Alegre. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2009.
SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Pressão em 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, 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.
