UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECAcircNICA

ENERGIA E FENOcircMENOS DE TRANSPORTE

DESENVOLVIMENTO E CONSTRUCcedilAtildeO DE UM PROTOacuteTIPO

DE COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR

por

Bruno Hartmann da Silva

Miguel Kuumlhnert Frichenbruder

Trabalho Final da Disciplina de Mediccedilotildees Teacutermicas

Professor Paulo Smith Schneider

pssmecanicaufrgsbr

Porto Alegre Julho de 2014

ii

FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Desenvolvimento e construccedilatildeo

de um protoacutetipo de coletor solar para aquecimento de ar 2014 Trabalho final da discipli-

na de Mediccedilotildees Teacutermicas do curso de Engenharia Mecacircnica ndash Departamento de Engenharia

Mecacircnica Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014

RESUMO

Este trabalho apresenta um protoacutetipo de aquecedor de ar que utiliza apenas a energia solar

desenvolvido com o objetivo de aumentar a eficiecircncia de um coletor mais simples jaacute existente

O protoacutetipo que eacute fabricado com latas de alumiacutenio eacute ensaiado em uma bancada proacutepria para

esse fim com uma rotaccedilatildeo predeterminada no ventilador Os valores de temperatura do ar na

entrada e na saiacuteda do protoacutetipo e da vazatildeo satildeo medidos e calculados se obtendo uma diferen-

ccedila de temperatura de 2143degC com uma vazatildeo maacutessica de 3643x10-3 kgs Verifica-se a partir

de caacutelculos que o calor transmitido para o ar eacute de 78458 2355 W

PALAVRAS-CHAVE Energia solar coletor aquecedor de ar transferecircncia de calor

iii

FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Development and construction

of a solar collector to heat up air 2014 Final work part of the Thermal Measurements dis-

cipline of the Mechanical Engineering course ndash Mechanical Engineering Department Univer-

sidade Federal University of Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014

ABSTRACT

A prototype of air heater moved by solar energy is made aiming the enhancement of another

similar heater already in use The prototype manufactured from recycling aluminums cans is

tested in a test bench made for this objective determining a constant frequency of rotation in

the fan The values of the input and output air temperature and the mass flow rate are meas-

ured and calculated A difference of temperature of 2134degC is obtained with a mass flow rate

of 3643x10-3 kgs The result of the calculus made to find the transferred heat is equal to

78458 2355 W

KEYWORDS Solar energy collector air heater heat transfer

iv

SUMAacuteRIO

RESUMO II

ABSTRACT III

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2

31 Termodinacircmica 2

32 Transferecircncia de calor 2

33 Tubo de Pitot 4

34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5

35 Incertezas de mediccedilatildeo 5

36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5

41 Problemas experimentais 5

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5

43 Caso 6

46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7

47 Procedimento experimental 9

48 Resultados 10

3 CONCLUSAtildeO 11

REFEREcircNCIAS 12

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de

combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado

tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas

como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes

e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia

solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-

ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-

ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-

pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377

MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias

voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center

Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial

de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-

ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]

Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-

co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-

fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta

da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-

accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo

Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande

O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-

ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo

como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo

observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga

2

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA

Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por

energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes

em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs

utilizando uma placa de 2 msup2

Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-

tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor

com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs

Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-

perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2

Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-

dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia

solar

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

31 Termodinacircmica

Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)

119901119881 =119898

119872119877119879

(1)

Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-

demos dizer que

120588 =119901119872

119877119879

(2)

Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-

ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia

32 Transferecircncia de calor

O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo

para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute

perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna

como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente

Fazendo o balanccedilo de energia temos

119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)

A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia

distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-

rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do

coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)

3

119865119861119862 =2

120587ln [radic

(1 + 2)(1 + 2)

1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2

+ (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1

(4)

Onde

=119883

119871

(5)

=119884

119871

(6)

O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-

perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim

podemos dizer que

119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)

O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar

um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que

119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)

Assim a equaccedilatildeo 1 fica

119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)

A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente

passado para o ar ou seja

=119888119901(119879119904 minus 119879119890)

119865119861119862119873119875

(10)

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

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POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

iii

FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Development and construction

of a solar collector to heat up air 2014 Final work part of the Thermal Measurements dis-

cipline of the Mechanical Engineering course ndash Mechanical Engineering Department Univer-

sidade Federal University of Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014

ABSTRACT

A prototype of air heater moved by solar energy is made aiming the enhancement of another

similar heater already in use The prototype manufactured from recycling aluminums cans is

tested in a test bench made for this objective determining a constant frequency of rotation in

the fan The values of the input and output air temperature and the mass flow rate are meas-

ured and calculated A difference of temperature of 2134degC is obtained with a mass flow rate

of 3643x10-3 kgs The result of the calculus made to find the transferred heat is equal to

78458 2355 W

KEYWORDS Solar energy collector air heater heat transfer

iv

SUMAacuteRIO

RESUMO II

ABSTRACT III

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2

31 Termodinacircmica 2

32 Transferecircncia de calor 2

33 Tubo de Pitot 4

34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5

35 Incertezas de mediccedilatildeo 5

36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5

41 Problemas experimentais 5

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5

43 Caso 6

46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7

47 Procedimento experimental 9

48 Resultados 10

3 CONCLUSAtildeO 11

REFEREcircNCIAS 12

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de

combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado

tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas

como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes

e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia

solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-

ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-

ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-

pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377

MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias

voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center

Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial

de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-

ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]

Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-

co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-

fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta

da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-

accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo

Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande

O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-

ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo

como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo

observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga

2

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA

Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por

energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes

em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs

utilizando uma placa de 2 msup2

Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-

tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor

com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs

Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-

perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2

Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-

dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia

solar

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

31 Termodinacircmica

Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)

119901119881 =119898

119872119877119879

(1)

Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-

demos dizer que

120588 =119901119872

119877119879

(2)

Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-

ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia

32 Transferecircncia de calor

O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo

para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute

perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna

como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente

Fazendo o balanccedilo de energia temos

119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)

A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia

distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-

rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do

coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)

3

119865119861119862 =2

120587ln [radic

(1 + 2)(1 + 2)

1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2

+ (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1

(4)

Onde

=119883

119871

(5)

=119884

119871

(6)

O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-

perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim

podemos dizer que

119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)

O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar

um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que

119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)

Assim a equaccedilatildeo 1 fica

119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)

A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente

passado para o ar ou seja

=119888119901(119879119904 minus 119879119890)

119865119861119862119873119875

(10)

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

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FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

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NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

iv

SUMAacuteRIO

RESUMO II

ABSTRACT III

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2

31 Termodinacircmica 2

32 Transferecircncia de calor 2

33 Tubo de Pitot 4

34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5

35 Incertezas de mediccedilatildeo 5

36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5

41 Problemas experimentais 5

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5

43 Caso 6

46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7

47 Procedimento experimental 9

48 Resultados 10

3 CONCLUSAtildeO 11

REFEREcircNCIAS 12

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de

combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado

tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas

como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes

e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia

solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-

ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-

ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-

pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377

MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias

voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center

Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial

de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-

ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]

Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-

co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-

fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta

da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-

accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo

Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande

O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-

ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo

como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo

observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga

2

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA

Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por

energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes

em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs

utilizando uma placa de 2 msup2

Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-

tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor

com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs

Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-

perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2

Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-

dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia

solar

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

31 Termodinacircmica

Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)

119901119881 =119898

119872119877119879

(1)

Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-

demos dizer que

120588 =119901119872

119877119879

(2)

Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-

ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia

32 Transferecircncia de calor

O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo

para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute

perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna

como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente

Fazendo o balanccedilo de energia temos

119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)

A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia

distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-

rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do

coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)

3

119865119861119862 =2

120587ln [radic

(1 + 2)(1 + 2)

1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2

+ (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1

(4)

Onde

=119883

119871

(5)

=119884

119871

(6)

O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-

perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim

podemos dizer que

119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)

O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar

um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que

119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)

Assim a equaccedilatildeo 1 fica

119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)

A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente

passado para o ar ou seja

=119888119901(119879119904 minus 119879119890)

119865119861119862119873119875

(10)

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

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httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

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FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

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KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

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SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de

combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado

tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas

como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes

e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia

solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-

ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-

ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-

pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377

MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias

voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center

Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial

de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-

ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]

Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-

co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-

fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta

da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-

accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo

Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande

O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-

ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo

como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo

observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga

2

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA

Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por

energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes

em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs

utilizando uma placa de 2 msup2

Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-

tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor

com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs

Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-

perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2

Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-

dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia

solar

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

31 Termodinacircmica

Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)

119901119881 =119898

119872119877119879

(1)

Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-

demos dizer que

120588 =119901119872

119877119879

(2)

Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-

ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia

32 Transferecircncia de calor

O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo

para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute

perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna

como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente

Fazendo o balanccedilo de energia temos

119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)

A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia

distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-

rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do

coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)

3

119865119861119862 =2

120587ln [radic

(1 + 2)(1 + 2)

1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2

+ (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1

(4)

Onde

=119883

119871

(5)

=119884

119871

(6)

O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-

perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim

podemos dizer que

119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)

O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar

um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que

119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)

Assim a equaccedilatildeo 1 fica

119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)

A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente

passado para o ar ou seja

=119888119901(119879119904 minus 119879119890)

119865119861119862119873119875

(10)

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

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tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

2

2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA

Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por

energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes

em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs

utilizando uma placa de 2 msup2

Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-

tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor

com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs

Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-

perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2

Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-

dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia

solar

3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

31 Termodinacircmica

Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)

119901119881 =119898

119872119877119879

(1)

Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-

demos dizer que

120588 =119901119872

119877119879

(2)

Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-

ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia

32 Transferecircncia de calor

O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo

para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute

perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna

como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente

Fazendo o balanccedilo de energia temos

119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)

A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia

distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-

rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do

coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)

3

119865119861119862 =2

120587ln [radic

(1 + 2)(1 + 2)

1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2

+ (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1

(4)

Onde

=119883

119871

(5)

=119884

119871

(6)

O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-

perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim

podemos dizer que

119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)

O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar

um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que

119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)

Assim a equaccedilatildeo 1 fica

119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)

A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente

passado para o ar ou seja

=119888119901(119879119904 minus 119879119890)

119865119861119862119873119875

(10)

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

3

119865119861119862 =2

120587ln [radic

(1 + 2)(1 + 2)

1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2

+ (radic1 + 2) tanminus1

radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1

(4)

Onde

=119883

119871

(5)

=119884

119871

(6)

O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-

perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim

podemos dizer que

119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)

O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar

um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que

119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)

Assim a equaccedilatildeo 1 fica

119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)

A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente

passado para o ar ou seja

=119888119901(119879119904 minus 119879119890)

119865119861119862119873119875

(10)

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

4

A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-

do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as

linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo

de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)

Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de

ar

33 Tubo de Pitot

O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da

comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto

O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-

tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo

na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica

Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

5

A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-

dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da

imagem resultando na equaccedilatildeo

1199061 = radic

2(1199012 minus 1199011)

120588 [1 minus (11986321198631)4

]

(12)

34 Meacutetodo das aacutereas iguais

O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento

pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo

caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas

iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento

=sum119908119894 ∙ 119906119894

119899

119894=1

(11)

Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto

de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos

Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-

todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]

Quantidade de pontos

de mediccedilatildeo

n

Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais

r w

2 05000 12

08660 12

3

04082 13

07071 13

09129 13

35 Incertezas de mediccedilatildeo

Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-

nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro

associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-

mas na instrumentaccedilatildeo

36 Propagaccedilatildeo de incertezas

Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular

outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das

variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e

McClintock

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

5

120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)

120597119909∙ 120596119909)

2

+ (120597119891(119909 119910)

120597119910∙ 120596119910)

2

(13)

4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS

41 Problemas experimentais

A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-

veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do

coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de

20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento

antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-

pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m

de largura e 015 m de altura

Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo

42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC

O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da

bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia

com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2

Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2

Calibraccedilatildeo

PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]

1300 794 790 740

1283 749 940 875

1254 672 1231 1132

1237 626 1393 1294

1219 579 1651 1530

1216 571 1672 1552

1197 520 1997 1849

1183 483 2255 2086

1176 464 2390 2212

1168 443 2600 2404

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

6

Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-

Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes

equaccedilotildees

1198791198731198791198621 =1

0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3

1198791198731198791198622 =1

00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3

(15)

(14)

Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-

lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou

a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas

futuras mediccedilotildees

Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2

(verde pontos medidos em ciacuterculo)

43 Caso

O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-

cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-

vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo

1157 414 2874 2659

1145 382 3242 3001

1139 366 3458 3195

1090 236 5500 5020

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

7

Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)

46 Desenvolvimento do protoacutetipo

O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem

alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-

toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos

Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada

a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de

vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura

seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a

mesma absortividade

A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-

tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem

as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina

para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para

o interior dos dutos

O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as

paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de

calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-

tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-

rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-

al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

8

Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-

liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas

seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao

meio ambiente

As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes

internas laterais e inferiores

Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas

Figura 8 Interior dos dutos

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

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FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

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HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

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SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

9

Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas

Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado

47 Procedimento experimental

Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema

Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos

Dados do Problema

Comprimento interno do coletor X [m] 1

Largura interna do coletor Y [m] 03

Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02

Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200

Nuacutemero de lacircmpadas N 17

Diacircmetro do duto [mm] 100

Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7

Constantes e propriedades fiacutesicas

Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325

Massa molar do ar [gmol] 2897

Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005

Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075

Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807

10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

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FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

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HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

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KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

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SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

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Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

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10

As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm

POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as

temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo

cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados

coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-

tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a

vazatildeo do escoamento

A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-

nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-

derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi

calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro

utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-

responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento

Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777

Multiacutemetro UT71E

Range Resolution Accuracy

400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value

A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-

me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-

fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem

variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos

gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-

radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar

48 Resultados

Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o

NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-

ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga

Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC

Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]

NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338

NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013

Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot

r Diferenccedila de Pressatildeo

[mmCA]

Diferenccedila de Pressatildeo

[Pa]

04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807

07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807

09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807

Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas

de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores

encontrados

11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

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FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

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HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

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SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

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11

Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees

Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo

s [kgmsup3] 110468 11x10-6

ui [ms]

R

04 461595 019233

07 421376 021068

09 376890 023555

ui [ms] 419954 012331

A [msup2] 785398x10-3

m [kgs] 36438x10-3 107x10-3

Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo

32 resultando nos seguintes valores

Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor

Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor

X 5

Y 15

FBC 04613

qRec [W] 15684

qAr [W] 7845 235

50

3 CONCLUSAtildeO

O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos

de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na

geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-

ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que

permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente

transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W

Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-

ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada

Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a

distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-

car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET

12

REFEREcircNCIAS

ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate

made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

BRIGHT SOURCE ENERGY

httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5

eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014

FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha

httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-

2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014

HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under

tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119

KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate

significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38

POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-

metro digital POL-777

httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-

POL---777pdf acessado em 06072014

SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre

Brasil

STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research

1968 VoL 15 pp 497 a 503

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-

sado em 03072014

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental

Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-

bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014

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made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113

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