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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR A AR
por
Alessandro Gallina – 182088
Guilherme Gallon – 181186
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Profs. Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Julho de 2014
2
RESUMO
O presente trabalho apresenta um estudo dos fenômenos envolvidos bem como a
construção e instrumentação de um coletor solar a ar que será utilizado em um secador de frutas.
São discutidos os modos de transferência de calor envolvidos no processo de aquecimento do ar
e ainda quais foram as características construtivas e os materiais utilizados para se obter um
protótipo de bom desempenho. Além da construção é apresentada a forma como o coletor foi
instrumentado e ensaiado. Os testes revelaram uma diferença de temperatura do ar de entrada e
saída de 13,6ºC com uma vazão de 0,301 m3/s.
PALAVRAS CHAVE: coletor solar a ar, secador de frutas, aquecimento de ar.
3
ABSTRACT
This paper presents a study on the related phenomena as well as the construction and
instrumentation of a solar collector that will be used in a fruit dryer. It will discuss the heat
transfer mechanisms related to the heating process of air and also the materials and construction
technics utilized to obtain a substantial good performance prototype. Besides the construction it
will be shown how the collector was instrumented and tested. The tests revealed a difference of
temperatures of the air at the entrance and exit of the prototype of 13.6ºC and a volumetric flow
of 0,301 m3/s.
KEY WORDS: solar air collector, fruit dryer, air heating.
4
Sumário
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 5
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................................... 5
2.1. GRANDEZAS ENVOLVIDAS NO PROBLEMA .......................................................................................... 5 2.1.1. Temperatura ............................................................................................................................. 5 2.1.2. Pressão ..................................................................................................................................... 5 2.1.3. Vazão ....................................................................................................................................... 6
2.2. MEDIÇÃO DAS GRANDEZAS ENVOLVIDAS NO PROBLEMA ................................................................... 6 2.2.1. Medição de temperatura .......................................................................................................... 6 2.2.2. Medição de vazão .................................................................................................................... 6 2.2.3. Medição de pressão ................................................................................................................. 6
2.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR ............................................................................................................... 7 2.3.1. Radiação .................................................................................................................................. 7 2.3.2. Convecção ............................................................................................................................... 7 2.3.3. Condução ................................................................................................................................. 7
2.4. INCERTEZA DE MEDIÇÃO .................................................................................................................... 8
3. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA ........................................................................ 8
4. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................... 8
4.1. CONSTRUÇÃO DO COLETOR SOLAR .................................................................................................... 8 4.2. CONSTRUÇÃO DO MEDIDOR DE VELOCIDADE DO AR .......................................................................... 9 4.3. BANCADA DE TESTES ....................................................................................................................... 10
4.3.1. Calibração do sensor de temperatura ..................................................................................... 11
5. RESULTADOS ................................................................................................ 12
5.1. MEDIÇÕES DE TEMPERATURA .......................................................................................................... 12 5.1. MEDIÇÃO DE VAZÃO ........................................................................................................................ 13
6. CONCLUSÃO .................................................................................................. 13
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 14
5
1. INTRODUÇÃO
Um coletor solar é um equipamento que tem como objetivo aquecer um fluido através da
radiação proveniente do sol utilizando apenas a transferência de calor envolvida, sem a
conversão da energia solar em energia elétrica. Podem ser utilizados com diversas finalidades, a
mais comum delas é para o aquecimento de água de uso doméstico. No presente trabalho o
objeto de estudo é um coletor com a função de abastecer um secador de frutas com ar aquecido.
O coletor é basicamente constituído por uma superfície coletora que absorve a radiação solar e
uma estrutura, normalmente com seção retangular, que sustenta a superficie e seve como
fronteira isolante do ar aquecido com o ambiente. No caso do secador de frutas o coletor é
instalado com um ângulo de inclinação em relação ao solo, dessa forma o ar aquecido pode
entrar no secador por efeito de convecção.
Os efeitos envolvidos no processo de aquecimento do ar são estudados na transferência
de calor. A energia térmica entra no sistema em forma de radiação, proveniente do sol, que
incide na superficie coletora. Parte da radiação é absorvida pela superfície, o que faz com que a
mesma esquente. Estando a superfície mais quente que o ar ao seu redor, calor é transferido para
o fluido pelo mecanismo de convecção. Quanto mais calor for absorvido pela superfície mais ela
esquentará e mais trocará calor com o ar, que por consequência entrará no secador mais quente.
De um modo geral o desempenho de um coletor solar depende de quanto calor a superfície
coletora consegue transmitir ao fluido. Neste trabalho foi construído e ensaiando um protótipo de
coletor que visa obter melhores resultados do que um coletor que usa uma chapa metalica plana
como superfície coletora. São apresentados os métodos e os materiais utilizados na construção e
na instrumentação do protótipo, assim como os resultados obtidos.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Grandezas envolvidas no problema
2.1.1. Temperatura
A lei zero da termodinamica constitui a base para a definição de temperatura. Ela
estabelece que quando dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, ambos terão
igualdade de temperatura. Ou seja, pode-se dizer que a temperatura é a grandeza comum aos
corpos quando estes estão em equilíbrio térmico.
2.1.2. Pressão
Segundo SCHNEIDER, 2003, a pressão P pode ser definida conforme a equação abaixo,
dAdFP / (1)
onde é um diferencial de força exercida pelo fluido em um diferencial de área .
A pressão é uma propriedade local do fluido e possui uma grande dependência da
posição, e não depende da direção considerando uma situação estática.
6
2.1.3. Vazão
FOX, et al, 2006, afirmam que fluidos escoando em uma tubulação tem sua vazão
volumétrica definida como sendo,
(2)
onde u é a velocidade média do fluido e A a área de seção transversal.
A vazão mássica é uma taxa de massa por unidade de tempo e é obtida pelo produto
entre a vazão volumétrica e a massa específica do fluido segundo a equação abaixo,
(3)
2.2. Medição das grandezas envolvidas no problema
2.2.1. Medição de temperatura
Uma das formas de se medir temperatura é baseada no emprego de sensores que possuem
sua resistência elétrica variável de acordo com a temperatura do meio em que estão inseridos.
Atravez de um sistema de aquisição de dados, que possa medir resistencia, um valor de
temperatura pode ser assiciado com o sinal emitido pelo sensor. Neste trabalho foi utilizado um
sensor do tipo PT100, que apresenta comportamento linear em uma ampla faixa de temperaturas.
Calibrado por comparação com outro sensor de referência
2.2.2. Medição de vazão
A medição de vazão pode ser feita de maneira indireta, determinando previamente a
velocidade de um fluido a vazão pode ser obtida associando o valor da velocidade com a área de
passagem do fluido.
Um equipamento capaz de medir a velocidade de um escoamento é o tubo de Pitot. O tubo
de Pitot toma duas medidas de pressão no ponto onde se deseja medir a velociade. Na parede do
tubo é obtida a pressão estática, atravez de um furo. A pressão de estagnação é a segunda medida
necessária e é obtida inserindo um tubo paralelo ao escoamento que tenha sua extremidade aberta
e ortognal ao escoamento fazendo com que nesse ponto o fluido seja estagnado. As duas tomadas
de pressao são conectadas as um manômetro de tudo em U e a diferença de pressão pode ser lida.
Desenvolvendo a equação da conservação da energia de Bernoulli, pode-se chegar a expressao
abaixo, que associa a velocidade do escoamento com a diferença entre as pressões de estagnação
e estática no ponto de medição.
√
(4)
2.2.3. Medição de pressão
Um dos equipamentos mais amplamente utilizados para a medição de pressão é o
manômetro de tubo em U. Ele lê a diferença de pressão entre dois pontos, sendo mostrada
7
atravez de uma coluna de fluido manométrico, que pode ser facilmente lida. Conhecendo a massa
específica do fluido pode-se estimar a diferença de pressão entre os pontos medidos atravez da
expressão abaixo
(5)
onde [kg/m3] é a massa específica do fluido, g [m/s] a aceleração da gravidade e h [m] a altura
da coluna manométrica.
2.3. Transferência de calor
2.3.1. Radiação
Radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura não-
nula. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas
configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que consistem a matéria. A taxa de emissão
de calor por radiação para uma superfície é dada pela seguinte expressão,
(6)
onde é a temperatura da superfície em (K), é a temperatura da vizinhança do meio em
(K), ε e α é respectivamente a emissividade e a absortividade da superfície do material, e σ é
constante de Stefan-Boltzmann (Incropera et al, 2003).
2.3.2. Convecção
O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos. Além de
transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é
transferida através do movimento global do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao
fato de que, em um instante qualquer, um grande número de moléculas está se movendo
coletivamente ou como agregado. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura,
contribui para a transferência de calor (Incropera et al, 2003). A equação que descreve o fluxo de
calor por convecção é a Lei do resfriamento de Newton, que é dada por,
(7)
onde é o fluxo de calor por convecção em (W/m2), é o coeficiente de transferência de
calor por convecção em (W/m2.K) e é a diferença de temperatura entre a superfície e o
fluido, respectivamente, em (C° ou K).
2.3.3. Condução
Condução é a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos
energéticas de uma substância devido às interações entre partículas. (Incropera et al, 2003). A
equação que descreve a taxa de transferência de calor por condução é a equação de Fourier, a
qual tem embasamento experimental e é dada por,
8
(8)
onde é o fluxo térmico em (W/m2), ou seja, a taxa de tranferência de calor em uma
direção x por unidade de área perpendicular à direção da transferência e é proporcional ao
gradiente de temperatura
, é a condutividade térmica (W/m.K) e é uma característica do
material da parede.
2.4. Incerteza de medição
A grandeza física mensurada em um procedimento experimental é sempre uma
aproximação do valor verdadeiro. Em medições, objetiva-se determinar o melhor valor possível
para a grandeza, e quanto esse pode ser diferente do valor verdadeiro. A incerteza pode ser então
definida como uma indicação de quanto o melhor valor pode diferir do valor verdadeiro, em
termos de probabilidades, sendo um valor estimado para o erro. A incerteza de medição é obtida
pela análise estatística de uma série de observações, determinando média, desvio padrão,
tamanho da amostra e intervalo de confiança através de dados experimentais [INMETRO, 1998].
3. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
O objeto de estudo do presente trabalho é um coletor solar que se encontra instalado e em
operação na fazenda de educação ambiental Quinta da Estância. Nesta aplicação o coletor é
utilizado em um secador de frutas que utiliza energia solar. O coletor absorve radiação solar e
transfere calor para o ar que circula em seu interior. O ar quente é levado para dentro do secador
pelo efeito de convecção natural, já que tem sua temperatura elevada acima da temperatura
ambiente. O presente trabalho objetiva explorar uma nova configuração do coletor para aumentar
a eficiência do sistema.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1. Construção do coletor solar
Para a construção do coletor foram utilizados os seguintes materiais: telha trapezoidal de
alumínio e zinco de 1000 mm de comprimento, vidro simples de 3 mm de espessura por 1000
mm de comprimento e 320 mm de largura, 2 tábuas de 1000 mm por 175 mm e 1 tábua de 1000
mm por 300 mm, 9 latas de alumínio, tinta preto fosco, pregos.
Primeiramente as latas foram cortadas de modo a ficarem abertas na parte superior. Feito
isso a telha recebeu 9 furos de modo a posicionar as latas perpendicularmente a ela. Ambos
receberam pintura preta. Depois, as tábuas foram pregadas de modo a formar uma caixa sem
tampa e por fim o vidro foi posicionado de modo a fazer o papel de tampa da caixa. Isso pode ser
melhor entendido Figura 1. A utilização de uma telha trapezoidal tem como objetivo aumentar a
área de transferência de calor. O mesmo aconteceu com as latas, porém estas contribuiram com
uma segunda funcionalidade, agindo como cavidades de modo a “aprisionar” a luz por mais
tempo e desta forma trocar mais calor. Também é importante destacar que a pintura realizada foi
feita com tinta preto fosco por possuir um alto valor de absortividade, maior que preto brilhante,
por exemplo, devido à uma rugosidade maior.
9
Figura 1. Protótipo do coletor solar (sem o vidro).
4.2. Construção do medidor de velocidade do ar
Para a construção do tubo de Pitot foram utilizados os seguintes materiais: cano de PVC
com 100 mm de diâmetro por 500 mm de comprimento, tubos de inox, duas válvulas, um pedaço
de madeira, cintas plásticas, mangueira.
Primeiro foi feita a furação do pedaço de madeira e então fixou-se o mesmo no cano de
PVC. Feito isso procedeu-se com a furação do cano e depois inseriu-se os tubos e as válvulas.
Por fim conectou-se um pedaço de mangueira em cada válvula, as quais seguiram para um
manômetro tubo U para medir a diferença de pressão. A Figura 2 mostra o tubo de pitot montado
com um manômetro tubo “U”.
10
Figura 2. Tubo de Pitot e manômetro.
4.3. Bancada de testes
A bancada de testes foi proposta pelo professor da disciplina e foi montada de acordo
com a Figura 3 abaixo. A fonte de radiação utilizada foi um banco de lampadas incandescentes
montado paralelamente ao coletor.
Figura 3. Esquema da bancada de testes (Fonte: SCHNEIDER, 2014).
Para os testes o coletor foi montado na horizontal e um fluxo de ar foi imposto atravez de
um ventilador. A fonte de radiação utilizada foi um banco de lampadas incandescentes montado
paralelamente ao coletor. As grandezas medidas foram temperaturas de entrada e saida e a vazão.
As temperaturas foram medidas com um sensor PT100, colocado em contato com o fluxo de ar,
em dois pontos: na entrada e na saída do coletor. O sensor utilizado no teste tem grandes
dimensões se comparadas com o diâmetro da tubulação, como mostrado na Figura 4, o que pode
gerar discordancias com o valor verdadeiro da temperatura do ar.
Um banco de lâmpadas incandescentes foi utilizado para emitar radiação no protótipo de
coletor solar. Os sensores de temperatura foram posicionados um na entrada e outro na saída, de
11
modo a medir a diferença de temperatura do ar após passar pelo coletor solar. Para o caso em
questão foi utilizado um PT100, mostrado na Figura 4.
Figura 4. PT100 instalado na saída do fluxo de ar.
A medição de vazão foi feita através de um tubo de Pitot, na tubulação de saída, conectado
a um manômetro. O sensor utilizado é descrito na seção 4.2.
4.3.1. Calibração do sensor de temperatura
A calibração do sensor de temperatura foi feita pelo método de comparação com um sensor
de referência. Como o PT100 apresenta comportamento linear em uma grande faixa de
temperaturas foram tomados apenas dois pontos para calibração, um deles com o sensor exposto
à temperatura ambiente e o outro exposto à agua aquecida.
Os dados obtidos são mostrados na Tabela 1:
Tabela 1: Dados para calibração do PT100
R medida [Ω] T referência [C°]
110.6 22.06
135.04 69.3
Apartir da tabela 1 foi construída a curva de calibração do sensor mostrada na Figura 5
12
Figura 5: curva de calibração do PT100
5. RESULTADOS
5.1. Medições de temperatura
A obtenção das temperaturas na entrada e saida do coletor foi feita através da medida de
resistência do PT100 e fazendo uso da curva de utilização do sensor apresentada na Figura 6
abaixo:
Figura 6: curva de utilização do PT100
80
90
100
110
120
130
140
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Re
sist
ên
cia
[Ω]
Temperatura [°C]
Curva de calibração do PT100
y = 1.9329x - 191.72
0
10
20
30
40
50
60
70
80
100 105 110 115 120 125 130 135 140
Tem
pe
ratu
ra [
C°]
Resistência [Ω]
Curva de utilização do PT100
13
Os valores de temperatura obtidos no teste são apresentados na Tabela 2
Tabela 2: Resultados das medições de temperatura
Resistência [Ω] Temperatura [C°]
Entrada 112.6 25.9
Saíeda 119.6 39.5
Os dados da Tabela X mostram uma diferença de temperatura de 13.6 ºC entre a entrada e
a saída do coletor
5.1. Medição de vazão
A medição de vazão foi feita atravez da medição da velocidade em um ponto prócimo ao
centro da tubulação de saída do coletor. Como o escoamento analisado é turbulento acredita-se
que a velocidade medida pode representar a velocidade média naquela seção. A diferença de
pressão medida no manômetro de tubo U foi de 0.9mm, o que resulta em uma diferença de
pressão de 8.829 Pa. Considerando a massa específica do ar como 1,2 kg/m3, a velocidade
encontrada foi de 3.836 m/s.
A vazão foi calculada multiplicando a velocidade medida pela área da tubulação,
resultando em um valor de 0.301 m3/s.
6. CONCLUSÃO
O objetivo deste trabalho era o de construir e instrumentar um coletor solar para ser usado
em um secador de frutas em operação. A construção do protótipo foi feita de tal forma para
tentar melhorar o desempenho do equipamento, o aumento da área exposta a radiação foi o foco
principal da construção.
As medições de temperatura apresentaram um valor considerado baixo para o aquecimento
(13.6 ºC). Há alguns pontos relativos ao sensor de temperatura que devem ser comentados. O
PT100 utilizado possui grandes dimensões quando comparado ao diâmetro do tubo por onde
escoava o ar medido, esse tamanho excessivo pode ter influência no valor medido. Por ser muito
grande o sensor pode não ter entrado em equilíbrio térmico com o sistema e então pode ter
apresentado um valor de temperatura diferente ao do ar. A medição de vazão apresentou valores
próximos do esperado.
14
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FOX, R. W. MCDONALD, A. T. PRITCHARD, P. J. Introdução à Mecânica dos
Fluidos. Editora LTC, 6ª edição, Rio Janeiro, 2006.
INCROPERA, F. P., DEWITT, D. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de
Massa, 5ª edição, Editora LTC, 2003.
SCHNEIDER, P. S. Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2003.
SCHNEIDER, P. S. Incerteza de Medição e Ajuste de Dados. Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2000.
SCHNEIDER, P. S. Edital do trabalho do semestre. Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014.
INMETRO, 1998. Guia para a Expressão da Incerteza de Medição. Instituto Nacional
de Metrologia, Rio de Janeiro
