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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROTÓTIPO DE RESFRIADOR EVAPORATIVO por Guilherme Orso Leonardo Faria Stefan Demoliner Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider [email protected] Porto Alegre, julho de 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

PROTÓTIPO DE RESFRIADOR EVAPORATIVO

por

Guilherme Orso

Leonardo Faria

Stefan Demoliner

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

[email protected]

Porto Alegre, julho de 2013

RESUMO

No presente trabalho são descritas as etapas de desenvolvimento, construção e testes deum resfriador evaporativo. São apresentados também os materiais, sensores e demais instrumen-tos utilizados, bem como seus detalhamentos construtivos e princípios de funcionamento. O de-senvolvimento do projeto baseia-se na construção de um protótipo que através de colméias depano umidecidas resfria o escoamento em um tubo curcular. Por fim, são apresentados os resul-tados obtidos de acordo com o software de aquisição de dados do próprio laboratório. Conclui-seque o experimento teve desempenho satisfatório pois resfriou o ar em 3 ºC em um escoamentocom ar ambiente e em 14 ºC em um escoamento aquecido artificialmente a 40 ºC.PALAVRAS-CHAVE: Resfriamento Evaporativo, Condicionamento de ar, ABSTRACT

The present work describes the stages of development, construction and testing of an eva-porative cooler. The required resources for construction, as well as the assembly procedure arepresented in order to clarify its way of functioning. The project depvelopment is based on a pro-totype construction that through moisten fabric hives cools the air flow in a circular tube. Finallythe results aquired in the laboratory's aqquisition software shows how efficient the prototype is.Based on this data, it can be concluded that the prototype was sufficiently efficient in cooling theair flow. In ambient air condition it cooled the air flow from 23ºC to 20ºC and in a artificially he-ated air flow from 40ºC to 26ºC.KEY WORDS: Evaporative Cooling, Air conditioning

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO...................................................................................................................42. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................................................43. FUNDAMENTAÇÃO.........................................................................................................44. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS.......................................................................................105. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO................................................................................136. RESULTADOS.................................................................................................................147. CONCLUSÕES.................................................................................................................14REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 INTRODUÇÃO

O condicionamento de ar por resfriamento evaporativo é um método ambientalmenteamigável e energeticamente eficiente, que utiliza água como fluído de trabalho e pode ser umaalternativa econômica aos sistemas convencionais de ar condicionado.

A evaporação da água é um processo endotérmico, isto é, neste processo retira-se muitocalor do que quer que esteja em contato com ela. Um litro de água consome cerca de 2426 kJpara evaporar à temperatura ambiente.

No resfriamento evaporativo de ar, é o próprio ar que cede calor sensível para a águaevaporar, tendo assim a sua temperatura reduzida. Além disso, o resfriamento evaporativo é umprocesso adiabático, ou seja, não rejeita calor para o ambiente porque calor sensível é trocadoapenas por calor latente, por esse motivo é chamado também de resfriamento adiabático.

A humanidade observando a natureza, já utiliza o processo de resfriamento evaporativodesde a antiguidade. Panos molhados pendurados nas janelas na direção dos ventos predominan-tes e chafarizes em pátios fechados são alguns dos recursos utilizados há milhares de anos paracriar um clima agradável, usando o processo de resfriamento evaporativo.

O corpo humano, em dias de calor controla a temperatura eliminando milhares de gotí-culas de água pelos poros, que ao evaporarem resfriam o corpo. Animais que tem pouca superfí-cie de pele exposta, por ela estar coberta por pelos ou penas, utilizam a grande superfície internados pulmões para evaporar água e resfriar o corpo. É por isso que em dias quentes, cachorros, ga-linhas e outros bichos respiram rapidamente, assim evaporam mais água e conseguem reduzir asua temperatura interna. Outro exemplo muito usado é a moringa de barro para guardar água po-tável, onde a evaporação pela parede porosa, mantém a água da moringa fresca o dia todo.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Em [CAMARGO, 2008] são apresentados três métodos de sistemas de resfriamento eva-porativo que podem ser usados nas cidades brasileiras. Primeiramente, abordando o princípio defuncionamento dos sistemas de resfriamento evaporativo direto e indireto, é apresentado a efici-ência de cada sistema. Após, conclui-se que os sistemas de resfriamento evaporativo tem grandepotencial para oferecer conforto térmico, podendo ser utilizado como uma alternativa aos siste-mas de condicionamento de ar convencionais em regiões onde a temperatura de bulbo úmido deprojeto é menor que 25ºC.

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3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1 RESFRIADOR EVAPORATIVO

A utilização de água como meio de arrefecimento vem sendo utilizada desde o início daHistória da humanidade. Evidências de aplicações de resfriadores evaporativos por povos antigosdo Oriente Médio foram encontradas em documentações da época, aplicações as quais ainda sãousadas na região. Eram usados tubos porosos com água além de painéis feitos de vegetais secos,que eram molhados e pendurados nas janelas e portas onde o vento predominante batia.

O processo de resfriamento e umidificação do ar tem propriedades e suas variações relaci-onadas na carta psicrométrica e encontra respaldo nos conceitos de temperatura de bulbo úmido.

3.1.1 PROCESSOS PSICROMÉTRICOS

3.1.1.2 RESFRIAMENTO EVAPORATIVO

No resfriamento evaporativo água líquida evapora aumentando a umidade do ar. Ao eva-porar a água retira uma quantidade de calor correspondente ao calor latente e com isso baixa atemperatura do ar.

No saturador adiabático, Figura 1, ar escoa através de uma névoa de água. A água, circu-lada continuamente, é dispersa a fim de propiciar uma área tal de transferência de calor e massaque o ar deixa o dispositivo em equilíbrio termodinâmico com a água. As paredes do saturadorsão adiabáticas do mesmo modo que as linhas de circulação da água entre a bacia (reservatório) eo dispositivo de dispersão. A água que é evaporada no processo deve ser reposta por água à mes-ma temperatura daquela do reservatório.

Figura 1 – Saturador adiabático

Uma vez atingido o regime permanente, a temperatura do reservatório indicada por umtermômetro de precisão é a denominada temperatura de bulbo úmido termodinâmico[STOECKER, 1985].

O caso ideal citado acima está representado na carta psicrométrica da Figura 2 pelos pon-tos A - B. Devido às diferenças do processo real, os pontos representativos são A e B’. O ponto Crepresenta a temperatura de saturação e B’ o ponto que pode ser alcançado com o resfriador eva-porativo caso ele não atinja o máximo de sua eficiência.

ηs=Pr B'−Pr A

Pr B−Pr A

Figura 2 - Carta psicométrica

Essa eficiência pode ser calculada, de acordo com (Beyer, 2013) através de:

(1)

onde Pr são propriedades termodinâmicas que podem ser temperaturas ou pressões.

3.2 MEDIÇÕES

3.2.1 VAZÃO

Segundo [FOX, 2006], um fluido com velocidade v [m/s] escoando em um tubo de área transversal A em m², tem a sua vazão volumétrica Q em m³/s definida como:

Q = vA (2)

A determinação da vazão é realizada através de tomadas de pressão estática e de estagna-ção, a diferença entre as duas é a pressão dinâmica.

V =√ 2( p2−p1)

ρ

V 1=√ 2( p2−p1)

ρ(1−β4)

Figura 3 – Linha de corrente com tomadas de pressão estática e de estagnação

Aplicando a lei de conservação da massa aplicada a dois pontos 1 e 2 de uma linha decorrente, conforme figura 3 acima, temos

m=ρ1V 1 A1=ρ2 V 2 A2 (3)

As grandezas V e A referem-se à velocidade média do escoamento e à área da seção nor-mal ao mesmo escoamento, nas posições de uma linha de corrente. A equação anterior pode serreescrita para a velocidade V1 como segue

V 1=ρ2ρ1

A2

A1

V 2 (4)

Definindo-se a relação entre os diâmetros da tubulação nos pontos 1 e 2,chega-se em

V 1=ρ2ρ1

β2 V 2 (5)

A lei da conservação da energia para escoamentos permanentes, incompressíveis, adiabá-ticos e sem atrito é dada pela equação de Bernoulli. Introduzindo o resultado a última equação, aexpressão para a velocidade em um escoamento é dada por

(6)

No caso de um tubo de Pitot, onde o diâmetro em 2 é muito menor do que o da tubulaçãoem 1, o coeficiente geométrico, e a veloci- dade do escoamento é simplesmente dadapor

(7)

onde p0 é a pressão de estagnação no ponto 2, p é a pressão estática ou termodinâmica medida nasuperfície do tubo.

A vazão é então determinada pela expressão

β=D2 /D1

β→0

Q=VA1

T=1α

(RR0

−1+ αT 0)

pvs=exp(C8

T+ C 9+ C10T + C11T 2

+ C12 T 3+ C13 lnT )

w s=0,62198pvs

p−pvs

μ=( ww s)t , p

UR=μ

1−(1−μ)(pvs ,tbs

p)

(8)

3.2.2 TEMPERATURA

A medição de temperatura (tbs) é realizada através de um detector de temperatura por re-sistência de platina, um PT100.

A curva de utilização deste é

(9)

Onde R é a resistência lida no multímetro, R0 (100Ω) a resistência do sensor na tempera-tura de referência (0ºC) e α o coeficiente de temperatura linear de resistência, determinado porcalibração prévia.

3.2.3 UMIDADE RELATIVA

A determinação da umidade do ar se da através dos dados obtidos do nosso psicrômetro(tbu e tbs). Uma série de equações providas por [APOSTILA DO SCHNEIDER], fornecem o va-lor de umidade relativa (UR em %).

Primeiramente é calculada a pressão de vapor d’água na saturação na água liquida, ex-pressão válida para faixa de temperatura (0 < T < 200ºC)

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Sendo C8 = -5,8002206E+03, C9 = 1,3914993, C10 = -4,8640239E-02, C11 =4,1764768E-05, C12 = -1,4452093E-08, C13 = 6,5459673. T é a temperatura do ar em K (Kel-vin) e pvs é dado em Pa (Pascal).

Depois o conteúdo de umidade Ws na saturação

(11)

O conteúdo de umidade

(12)

Outro fator necessário é o grau de umidade, as vezes usado como uma aproximação daumidade relativa, neste caso entra na fórmula da mesma. O grau de umidade assume o valor uni-tário para a saturação.

(13)

Ur=((∂V∂ x1

u1)2

+ ...+ ( ∂V∂ xn

un)2

)12

3.3 INCERTEZA DE MEDIÇÃO

Para o cálculo da incerteza de medição associada a cada valor que se quer medir neste ex-perimento é utilizado o cálculo da propagação da incerteza de medição, que considera o desviopadrão de cada variável associada à medição.

Tomando-se a grandeza Y, define-se a incerteza propagada Ur, segundo Kline e McClin-tock (HOLMAN, 1996), como sendo:

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sendo un o desvio padrão de cada variável.

3.3.1 MEDIÇÕES E INCERTEZAS ASSOCIADAS

As variáveis e suas incertezas combinadas consideradas na propagação da incerteza decada medição estão relacionadas abaixo, dizem respeito aos equipamentos utilizados.

a) Medição de vazão: manômetro de tubo em Ub) Medição de temperatura: sensor PT100c) Medição de umidade: PT100 (x2)*

* Como a medição utiliza dois PT100, ela é considerada duas vezes na propagação da incerteza.

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

4.1.PROJETO

Na parte inicial do projeto foram analisados sistemas de resfriamento evaporativos co-merciais presentes no mercado e também sistemas caseiros. Com base no conceito observado, foiidealizado um sistema de resfriamento evaporativo com uma colméia como base de funciona-mento. Esta seria umidecida a fim de resfriar o ar do escoamento no experiento. Após análise dealguns tecidos, optou-se pelo uso do Perfex como material a ser utilizado na confecção da col-méia devido a sua boa absortividade.

4.2 COLMÉIA

A colmeia foi construída com pano Perfex, cano PVC e tubos de cobre. Ao seccionar umcano de PVC formamos dois anéis que foram conectados por tubos de cobre (D<2mm). Nestestubos o pano foi enrolado alternadamente, formando um efeito de colmeia, aumentando a áreamolhada disponível. O resultado é exibido na Figura 4.

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

4.1.PROJETO

Na parte inicial do projeto foram analisados sistemas de resfriamento evaporativos co-merciais presentes no mercado e também sistemas caseiros. Com base no conceito observado, foi

idealizado um sistema de resfriamento evaporativo com uma colméia como base de funciona-mento. Esta seria umidecida a fim de resfriar o ar do escoamento no experiento. Após análise dealguns tecidos, optou-se pelo uso do Perfex como material a ser utilizado na confecção da col-méia devido a sua boa absortividade.

4.2 COLMÉIA

A colmeia foi construída com pano Perfex, cano PVC e tubos de cobre. Ao seccionar umcano de PVC formamos dois anéis que foram conectados por tubos de cobre (D<2mm). Nestestubos o pano foi enrolado alternadamente, formando um efeito de colmeia, aumentando a áreamolhada disponível. O resultado é exibido na Figura 4.

Figura 4 – Detalhe de construção da colméia

4.3 CIRCULAÇÃO DE ÁGUA

Na seção do cano de PVC em que se encontra a colmeia, furos na parte superior e inferiordo cano garantem a circulação de água, onde a alimentação é feita manualmente. Para conter aágua reposta, que não entra imediatamente no cano, foi utilizado um reservatório construído depote de sorvete fixado no cano.

Figura 5 – Detalhe de construção do reservatório de água

4.4 INSTRUMENTAÇÃO

O sensores instalados foram dois PT100, um seco para medir temperatura de bulbo seco eoutro envolto por uma mecha de algodão com alimentação de água por capilaridade para medirtemperatura de bulbo úmido.

A medição de vazão é realizada através de tomadas de pressão estática e total (estagna-ção), para posterior tratamento dos dados e equacionamento matemático. A estática é medida porum orifício na parede da tubulação e um tubo de Pitot é colocado no centro do escoamento afimde medir a pressão de estagnação.

Essas duas tomadas de pressão são conectadas à um manômetro, de forma a exibir emuma coluna de líquido a diferença entre pressão estática e total. O manômetro pode ser visualiza-do na Figura 6.

Figura 6 – Manômetro de tubo em U utilizado entre as tomadas de pressão estática e total

4.5 BANCADA DE TESTES

Ar, succionado por um ventilador, escoa até a seção de teste por meio de uma tubulação,onde será instalado o resfriador e medidor construído. Esta tubulação possui um aquecedor elétri-co, um sensor de temperatura/umidade relativa, um umidificador e um sensor de vazão do ar[EDITAL DE CONCURSO, 2013]. A figura 7 demonstra a bancada esquematicamente

Figura 7– Bancada de testes do laboratório

Os dados obtidos com os sensores da bancada, após serem computados, são exibidos no compu-tador como na figura 9.

Figura 8– Bancada de testes do laboratório

Figura 9– Dados dos sensores da bancada de testes. Propriedades “1” antes do experimento e “2‘após experimento.

A velocidade, ou vazão pela integração da área de seção transversão, foi medida com anemôme-tro manual na descarga.

5. VALIDAÇÃO

Para determinar a perda de carga foi medida a pressão estática do escoamento antes e de-pois do experimento. A diferença entre elas indica a perda de carga em pressão que o escoamentosofre durante a passagem pelo resfriador evaporativo.

∆p=ρ g ∆h

Através da diferença manométrica medida no manômetro podemos calcular essa diferen-ça de pressão. Para o resfriador evaporativo do presente trabalho mediu-se uma diferença depressão equivalente a 3,9 kPa.

6. RESULTADOS

Os valores obtidos na medição do escoamento pelos sensores PT 100 encontram-se lois-tados na tabela abaixo.

Tabela 1 – Resultados das medições com sensores PT 100

Procedimento Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) UR

a 19,92 19,87 99%

b 26,7 25,1 87%

PT 100 (Tbs) PT 100 (Tbu)

No procedimento a o ar entra no experimento a condições ambientes enquanto no proce-dimento b um resistor é ligado para esquentar o ar até a temperatura de 40 ºC.

7. CONCLUSÕES

O projeto, construção e calibração do resfriador evaporativo foi realizado com sucesso, aten-dendo os requisitos de redução de temperatura de 3ºC para ar ambiente e de 14ºC para ar aquecido.Além disso, todo projeto foi desenvolvido visando uma baixa imposição de perda de carga no siste-ma.

Segundo outro aspecto, a aplicação da colméia para este caso se mostrou uma forma eficien-te de aumentar a superfície de trocas caloríficas, fazendo com que a água evapore com mais facilida-de.

Por fim, conclui-se que é possível utilizar um resfriador evaporativo como maneira de redu-zir a temperatura do ar desde que seja observado o tipa de clima do local a ser instalado o equipa-mento. Em climas secos o resfriador evaporativo tem uma eficiência muito melhor do que em climasúmidos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Edito-ra LTC, 6ª edição, Rio Janeiro, 2006.

SCHNEIDER, P. S. Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos. Departamento de EngenhariaMecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

SCHNEIDER, P. S. Medição de Pressão. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Fe-deral do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

BEYER, P. Apostila de Climatização. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Fede-ral do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

CAMARGO, B. Resfriador Evaporativo e sua Eficiência. Editora UFMG, 2007.

STOECKER, WILBERT F. Refrigeração e ar condicionado. McGraw-Hill, São Paulo, 1985.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Capacidadede leitura nafaixa indicadaPerda de car-gaIncertezasCriatividadeConformidadecom as nor-mas de reda-ção do con-curso