UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

FABRICAÇÃO E ENSAIO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE AR

por

Giovani Fossati Juliano Tonin

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, julho de 2014

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ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO................................................................................................. 7

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................... 7

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................... 9

3.1. TRANSFERÊNCIA DE CALOR....................................................................... 9

3.2. TUBO DE PITOT............................................................................................... 11

3.3. PT100.................................................................................................................. 13

3.4. INCERTEZAS DE MEDIÇÃO.......................................................................... 13

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS..................................................................... 14

4.1 MONTAGEM DO COLETOR.......................................................................... 14

4.2 CALIBRAÇÃO DO PT100............................................................................... 14

4.3 CALIBRAÇÃO DO TUBO DE PITOT............................................................ 16

5. RESULTADOS................................................................................................ 17

5.1 TEMPERATURA............................................................................................. 17

5.2 VAZÃO MÁSSICA.......................................................................................... 18

6. CONCLUSÕES................................................................................................ 19

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................... 20

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RESUMO

O trabalho desenvolvido tem como objetivo ilustrar o projeto, fabricação e operação de um coletor solar a ar com comprimento, largura e altura de 1 m, 0,3 m e 0,15 m, respectivamente, pelo qual passa uma corrente de ar insuflada por um ventilador centrífugo. A estrutura externa do coletor é constituída de lâminas de madeira, com cobertura feita de vidro. O interior é composto por uma chapa de metal dobrada em Perfil U que comporta cinco tubos de alumínio construídas a partir de latas de refrigerante adaptadas com o objetivo de aumentar a área superficial para a troca térmica por convecção. Todo o interior é pintado de preto com objetivo de aumentar a absorção por radiação. Visando reduzir perdas térmicas, a interface entre o perfil U e a estrutura de madeira é isolada com isopor. O coletor foi ensaiado no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). As medições foram realizadas através de sensores de temperatura PT100, no qual aferiu uma temperatura de admissão de 25,04ºC e uma temperatura de escapamento igual a 42,83ºC, resultando em uma variação de temperatura de 17,79ºC. A pressão de estagnação é medida no escapamento do coletor com um tubo de Pitot, fabricado com um tubo de cobre dobrado com ângulo de 90º. A utilização do Método de Newton para ponderar a variação da velocidade do escoamento na seção de saída do coletor, com valores obtidos pela equação de Bernoulli simplificada. A massa específica do ar, obtida a partir do valor de temperatura do ar na saída do coletor, permite a determinação da vazão mássica que passa pelo coletor, que foi de 0,0303 kg/s e a taxa de transferência de calor para o ar, de 543,04 W. PALAVRAS-CHAVE: coletor solar cilíndrico; tubos de alumínio; coletor solar a ar.

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ABSTRACT

The objective of the developed work is to illustrate the project, manufacture and operation of an air functioning solar collector with a length, width and height of 1 m, 0,3 m and 0,15 m, respectively, through which passes an air current insufflated by a centrifugal blower. The external structure of the collector is made of wooden sheets and a glass panel. The interior is composed by a U-folded metallic sheet that holds five aluminum tubes, built from adapted soda cans, that aims to increase the surface area for the convection heat transfer. All the interior is painted black in order to increase the radiation absorption. In order to reduce thermal loss, the interface between the U-folded sheet and the wooden structure is isolated with Styrofoam. The collector was tested Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). The measurements were made with PT100 heat sensors, which measured an intake temperature of 25,04°C and an exhaust temperature of 42,83°C, resulting in a variation temperature of 17,79°C. The stagnation pressure is measured in the collector's exhaust with a Pitot tube, manufactured with a 90° angled copper tube. The Newton's method is used to consider the flow velocity variation in the outlet section of the collector, with its values obtained from the simplified Bernoulli equation. The air specific mass, acquired from the collector's exhaust temperature, allows the determination of the mass air flow that passes through the collector, of 0,0303 kg/s, and the heat transfer rate, of 543,04 W.

KEYWORDS: cylindrical solar collector, aluminum tubes, air solar collector

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Montagem de um coletor solar............................................................... 10 Figura 2. Seção transversal e vista isométrica do protótipo desenvolvido.......... 14 Figura 3. Protótipo finalizado em operação......................................................... 15 Figura 4. Gráfico de calibração do PT100............................................................ 15 Figura 5. Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4

métodos de medição............................................................................. 16 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1. Incertezas de medição da temperatura................................................... 13 Tabela 2. Pontos de calibração do PT100............................................................

15 Tabela 3. Calibração do Tubo de Pitot em quatro regiões do escapamento..........

17 Tabela 4. Medições de temperatura do escoamento na entrada e na saída do

coletor solar......................................................................................... 17 Tabela 5. Valores da pressão de estagnação média e velocidade nos pontos

medidos............................................................................................... 18

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LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Grandeza Unidade

∆P Diferença de pressão Pa

ρ Massa específica kg/m³

α Difusividade Térmica m²/s

τvidro Transmissibilidade do vidro -

A Área do duto m²

Cd Coeficiente de descarga -

cp Calor específico J/kgK

D Diâmetro interno do duto m

g Aceleração da gravidade m/s²

hconv Coeficiente convectivo de troca de calor W/m²K

k Condutividade térmica W/mK

L Comprimento do equipamento m

QEscoamento Potência térmica transmitida ao escoamento W

Qrad Potência térmica recebida pelo vidro W

R Resistência elétrica Ω

Re Número de Reynolds -

T∞ Temperatura do escoamento °C

Tadmissão Temperatura na admissão de ar °C

Tescape Temperatura na saída de ar °C

V Velocidade do escoamento m/s

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1. INTRODUÇÃO

Os coletores solares são equipamentos que permitem a utilização da radiação emitida pelo sol como forma de aquecimento de fluidos. A crescente utilização de sistemas de coleta solar em processos térmicos incentivaram o estudo e o aprimoramento destes equipamentos em um mercado amplo e competitivo que busca cada vez mais o uso de fontes de energia renováveis.

O trabalho proposto foi inspirado em um sistema de secagem de frutas, já existente na Quinta da Estância (Viamão-RS), que utiliza a energia solar provida por um coletor de placa plana. Os parâmetros e restrições que serviram como diretrizes fundamentais para a elaboração do protótipo do coletor solar foram disponibilizadas aos alunos da disciplina de Medições Térmicas da UFRGS em forma de edital, permitindo a livre concorrência e estimulando a busca pelo desenvolvimento do equipamento mais eficiente.

A aplicação prática dos conhecimentos dos fenômenos de transferência de calor foram necessárias para a elaboração do projeto e a fabricação do equipamento que deveria contar não apenas com o sistema de coleta solar, mas também com a produção e calibração dos sistemas de medição de temperatura e vazão, que seriam utilizados para aferir as condições de operação do protótipo desenvolvido.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Já na década de 70, era possível notar uma maior atenção global á energia solar. Os

coletores solares são capazes de converter a energia solar em energia térmica, a qual é transferida para um fluído, como por exemplo, o ar, que flui através do coletor. Essa energia coletada pode ser utilizada em diversas aplicações, como a geração de vapor, por exemplo, ou ainda, ser armazenada em um armazenamento térmico para uso posterior (DUFFIE e BECKMAN, 2006).

Esse potencial interesse impulsionou a pesquisa acerca de aplicações de tecnologias de energia solar, permitindo uma maior exploração das características dessa energia limpa. No entanto, alguns fatores como competitividade, eficiência, custo-efetividade, confiabilidade e disponibilidade, devem ser considerados no processo de aceitação da tecnologia (KUMAR; ROSEN, 2011). Sistemas solares térmicos, como os aquecedores solares de ar, obtiveram um notável avanço nas últimas décadas no que diz respeito a confiabilidade e a eficiência, observando-se uma variação de 40% a 60% para aplicações de baixas e médias temperaturas (THIRUGNANASAMBANDAM; INIYAN; GOIC, 2010).

No ano de 2009, verificou-se um aumento de aproximadamente 25% da área de coletores solares no mundo, quase o triplo do observado nos cinco anos anteriores, a uma taxa média de crescimento aproximado de 21% ao ano (DUARTE, 2012). No mesmo ano, a poupança energética consequente dos sistemas solares térmicos foi de 141.775 GWh, o que corresponde a aproximadamente 14,4 milhões de toneladas equivalentes de petróleo e 46,1 milhões toneladas de CO2 (APISOLAR, 2011).

O rendimento de um coletor solar térmico exprime a porcentagem de energia incidente sobre a cobertura do mesmo que é transferida para fluído. Entre os fatores que influenciam no

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rendimento de um coletor, pode-se citar o coeficiente global de perdas térmicas (α 1 e 2) e a transmissividade, pois a existência de uma cobertura inviabiliza que toda a radiação solar chegue à placa absorsora (COMPANIÇO, 2010). Esse rendimento está intimamente ligado ás propriedades materiais e construtivas, as quais irão ditar os valores da produtividade desse coletor. A superfície do coletor afeta diretamente o rendimento deste. O vidro, por exemplo, presente nos coletores tubulares, inicialmente apresenta-se como uma barreira à transmissividade da radiação solar incidente. Por outro lado, o vidro impede que calor escape do interior do compartimento. Isso permite concluir que os coletores sem cobertura apresentam uma eficiência mais baixa, pois possuem baixos valores de isolamento térmico (DUARTE, 2012).

Uma limitação a utilização de coletores convencionais é o elevado preço de mercado que esses possuem. Mesmo possuindo elevada vida útil, esses demandam um investimento inicial altíssimo. Dessa forma, tornou-se necessário o desenvolvimento de sistemas de aquecimento solar de menor custo e similar ou ainda melhor, desempenho térmico. Com isso, diversos estudos têm proposto nos últimos anos a criação de coletores alternativos. Os coletores alternativos diferem dos coletores convencionais no que diz respeito a geometria, materiais e elementos constituintes. Pode-se citar também a diferença em relação ao regime de funcionamento do mesmo: fluxo forçado, com o uso ou não de um sistema de bombeamento, ou termo-sifão. O principal objetivo da criação de coletores alternativos é a redução do custo de fabricação, que se torna elevado em virtude uso de materiais de significativo preço para a fabricação dos convencionais (CRISTOFARI et al., 2002; SOUZA et al., 2007).

Os coletores solares podem ser classificados em três níveis de concentração: baixa, média e alta concentração, dependendo do nível de temperatura requerida. Para esse fim, os coletores mais utilizados atualmente são os de placa plana, que são constituídos de uma caixa termicamente isolada nas laterais e na parte inferior. Sobre esse isolamento inferior, uma placa absorvedora é colocada, a qual pode ser pintada, de preto fosco ou com uma tinta seletiva. Nessa placa, há a possibilidade de serem colocados tubos absorvedores para o aquecimento do ar e, na parte superior, colocar uma ou duas placas de vidro para o fechamento, conforme a temperatura que se deseja atingir. O funcionamento é baseado na absorção da radiação solar pela placa absorvedora, a qual transforma a radiação em calor, transferindo essa energia para o fluído do trabalho, no caso, o ar (SOUZA, 2000).

Em 1997, Lourenço mostrou os resultados com o uso de um coletor alternativo formado por tubos de alumínio. Esse coletor demonstrou viabilidade térmica e econômica, o que indicava que eles são tão efetivos quanto os convencionais (LOURENÇO, 1997).

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1. TRANSFERÊNCIA DE CALOR

A utilização de energias renováveis é um assunto crescentemente discutido em várias

esferas de aplicação, desde a residencial até a industrial. O desenvolvimento de um coletor solar, com a função de elevar ao máximo a temperatura de uma massa de ar, foi objetivado no presente trabalho.

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Coletores solares absorvem a energia radiante solar e a transportam para o fluido de escoamento, e sua construção pode ser feita das mais variadas maneiras. Busca-se sempre a maior eficiência do coletor, de modo que perdas por vazamentos do fluido de escoamento, emissão radiante para fora da superfície coletora, perda térmica por condução pelas paredes do coletor, entre outros, são parâmetros a considerar.

A área de transferência de calor fornece os conhecimentos básicos para a elaboração de um equipamento que, em sua essência, consiste em um trocador de calor. O desenvolvimento deste equipamento, um coletor solar, permite a aplicação dos conhecimentos adquiridos e a verificação experimental da validez das técnicas estudadas.

O livro-texto de Incropera, Frank P. et al (2008), serve como embasamento teórico para as técnicas utilizadas no projeto. Para que possa ser obtida uma boa eficiência do coletor solar, se faz necessário um bom balanço dos três mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação. A energia inicial na aplicação do equipamento se apresenta em forma de radiação difusa, e deve ser absorvida pelo coletor e ser distribuída ao longo do mesmo por condução, para posteriormente ser transferida para o fluido de trabalho por convecção. Há grande interesse em reduzir as perdas nessas conversões, contribuindo para um melhor desempenho de troca de calor e permitindo um maior aquecimento da massa de ar que escoa pelo coletor. Tudo isso deve ser feito com a menor perda de carga possível, visto que o fluxo de calor transferido para o fluido de escoamento depende linearmente tanto da vazão mássica quanto da diferença de temperaturas.

O funcionamento de um coletor solar genérico consiste na absorção da energia radiante por uma superfície metálica, para posteriormente transferir esta energia por convecção para o fluido a escoar. A fim de exemplificar o funcionamento, a figura X ilustra a natureza do coletor desenvolvido neste projeto.

Figura 1 - Montagem de um coletor solar

A energia radiante é transmitida através da superfície translúcida superior, e absorvida pelas superfícies metálicas do interior do coletor. A área da superfície metálica deve ser maximizada, pois é diretamente proporcional à absorção de calor.

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Utilizaram-se superfícies negras, com o objetivo de maximizar a absorção e minimizar a reflexão de energia. Deve-se evitar que a energia seja refletida para o exterior do coletor, pois devido a própria natureza da construção deste tipo de coletor solar, a parcela de energia perdida por reflexão pela própria superfície coletora pode constituir a maior parte da energia perdida caso os cuidados necessários não forem tomados.

A superfície translúcida, além de possibilitar a transmissão e posterior absorção de energia radiante, principal função do coletor solar, possui outro papel importante no funcionamento do coletor. A parcela da radiação transmitida pela superfície translúcida que não for absorvida pela superfície metálica, e que seria refletida para o exterior do coletor, não é perdida em totalidade devido a um efeito estufa provocada pelo vidro, contribuindo para o aumento da eficiência do equipamento.

A superfície metálica utilizada para a absorção de calor deve ser construída de maneira tal que maximize a área de absorção de radiação e minimize a perda de carga. Dessa forma, o projeto favoreceu as superfícies paralelas ao escoamento, de modo a proporcionar a absorção da energia radiante e transferência de calor por convecção sem comprometer parcela da vazão devido a perda de carga. A equação utilizada para a avaliação do projeto leva em conta ambos os parâmetros, variação de temperatura e vazão mássica, e é dada pela equação 1:

(1)

Onde Qescoamento é a potência térmica transmitida ao escoamento, em W, ṁ a vazão

mássica do escoamento, em kg/s, cp o calor específico do fluido em escoamento, em J/kgK, Tescape a temperatura na saída do equipamento e Tadmissão a temperatura na entrada do equipamento.

Vale ressaltar que as condições de ensaio do protótipo são diferentes das condições reais de operação, devido à dificuldade de se realizar medições em um ensaio com convecção natural, que é a natureza real da transferência de calor na aplicação do coletor. Como a avaliação do projeto é comparativa, esta alteração das condições do escoamento não foi uma alteração significativa, pois afetou o desempenho de todos os coletores ensaiados. Após as considerações sobre a conversão da energia proveniente de radiação em convecção e condução, se fez necessário considerar as formas de evitar com que a energia se esvaísse do interior do sistema, evitando perdas não intencionais. As perdas térmicas foram evitadas de duas formas: utilizando-se poliestireno expandido, material conhecidamente isolante, nas três superfícies da calha metálica, limitando a perda de calor por condução; e a utilização de uma calha metálica com a intenção de absorver a parcela da energia proveniente da radiação difusa não captada pelos tubos, que além de contribuir para a conversão da energia radiante, contribui para a continuidade do coletor evitando frestas e falhas, bem como protegendo o isolamento de poliestireno expandido da radiação direta.

3.2. TUBO DE PITOT

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Um tubo de Pitot é instrumento utilizado para medir velocidades de fluidos e têm seu princípio baseado na medição por pressão diferencial, onde um elemento provoca uma diferença de pressão e através dessa variação é possível medir a pressão de estagnação (ou total) e estática do escoamento.

Com a pressão de estagnação medida é possível calcular a velocidade do escoamento em cada ponto através da equação de Bernoulli modificada.

É necessário ter as duas pressões bem definidas e comparadas. A primeira fonte de pressão é a pressão de estagnação, tomada paralela as linhas de velocidade do escoamento. A tomada de pressão estática é aferida perpendicularmente, ou seja, é a pressão atuante nas paredes do tubo. A diferença de pressão é conhecida como pressão dinâmica.

A velocidade do escoamento devidamente deduzida (SCHNEIDER, 2007) pode ser obtida através da através da Equação 2:

(2)

Da qual V é a velocidade, em m/s, e são as pressões de estagnação e estática,

respectivamente, em Pa, e é a massa específica (tirada de uma tabela termodinâmica na

temperatura média entre a entrada e saída do coletor), em . Tendo as velocidades calculadas em cada ponto é possível calcular a velocidade

média, através da seguinte Equação 3:

(3)

Onde da equação acima é a velocidade Média em , são as velocidades nos

pontos de medição, em , e são os fatores de peso.

A vazão volumétrica , em , pode ser calculada pela seguinte Equação 4:

(4)

Onde é a velocidade média, em , e d é o diâmetro da canalização, em . A partir dos valores medidos de temperatura, é possível calcular a diferença de temperatura ,

em º , entre a entrada e saída do coletor, dada pela seguinte Equação (5):

(5) Onde é a temperatura de escape e é a temperatura de admissão, ambas em

º .Com a vazão volumétrica medida, calcula-se a vazão mássica, em , pela Equação 6:

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(6)

Onde é a massa específica do fluido (ar), em , que é função da pressão e da

temperatura, tirado da tabela termodinâmica, e é a vazão volumétrica em . Por fim, pode-se calcular a taxa de calor transferido para o ar , em W, pela

seguinte Equação 7:

(7)

Onde é a vazão mássica, em e é o calor específico do ar a pressão constante,

em .

3.3. PT100

A medição de temperatura exige a escolha de equipamento adequado para a faixa de temperatura de trabalho. A utilização do PT100 revelou-se uma alternativa viável, pois o equipamento possui a vantagem de possuir uma resposta linear na faixa de operação entre 0°C e 100°C.

O princípio do funcionamento do PT100 baseia-se em um termo resistência de platina, que para 0°C, obtêm-se uma resistência correspondente de 100Ω. O aumento da temperatura gera um valor de resistência elétrica associada que pode ser aferida com uso de um equipamento capaz de medir a resistência, como um multímetro, por exemplo.

3.4. INCERTEZA DE MEDIÇÃO

As incertezas de medição resultam dos instrumentos utilizados na aferição das grandezas de interesse. A correta montagem e operação dos instrumentos são requisitos importantes para veracidade dos resultados.

Em qualquer procedimento experimental, os valores medidos podem ou não divergir do valor verdadeiro. Quando se obtém algum dado por medição, deve-se considerar não apenas o valor da grandeza medida, mas também o quanto este valor difere do valor real. Considera-se assim, a incerteza de medição como quanto o melhor valor da grandeza pode diferir do valor verdadeiro, em termos de probabilidade (SCHNEIDER, 2007).

Na medição da temperatura os erros do sensor PT100 provêm do multímetro utilizado para medição da resistência. Para o caso do projeto apresentado, um PT 100 de classe A, as incertezas de medição de temperatura são de ± 0,15 + (0,002. T)°C, resultando nos valores ilustrados na Tabela 1. A variação de temperatura medida, juntamente com a sua incerteza de medição, é de 17,79 ± 0,25 °C.

Tabela 1. Incertezas de medição da temperatura

Temperatura Medida [°C] Incerteza [°C]

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25,04 ±0,200 42,83 ±0,236

Na medição da vazão, os erros dão-se em função da resolução do manômetro

utilizado para a leitura da altura do fluido manométrico. O manômetro utilizado possui uma resolução de 0,05 mm, ou seja, ±0,05 mmCa. Dessa forma, a incerteza de medição em termos de vazão representa ±0,0011 kg/s, de modo que a vazão medida, juntamente com a incerteza de medição, é de 0,0303 ± 0,0011 kg/s.

4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

4.1. MONTAGEM DO COLETOR

A redução da perda de energia térmica pode ser considerada o ponto inicial do projeto do coletor. O coletor desenvolvido consiste em uma calha metálica pela qual o fluido, ar, escoa em seu interior, coberta com uma chapa de vidro laminado em sua superfície voltada para a fonte de radiação.

Tubos construídos com latas de alumínio foram utilizados para aumentar a área de absorção de energia radiante inicial (0,3 m2), bem como a área de troca de calor por convecção. Um revestimento foi empregado na parte externa das três superfícies da calha metálica de modo a reduzir as perdas de calor por condução. Fita para dutos foi utilizada de modo a minimizar as perdas de fluido de escoamento por frestas. As superfícies internas da calha metálica e as superfícies externas dos tubos foram revestidas por uma camada de tinta preta fosca, de maneira mais homogênea possível. Para obter-se uma eficiência aceitável, atenção foi direcionada à continuidade dos materiais utilizados: alumínio galvanizado, poliestireno expandido, vidro transparente laminado e painéis de MDF. Furos foram feitos para realizar a união dos materiais através de parafusos e foram posteriormente selados com silicone, de modo a não intensificar a ponte térmica entre o interior e o exterior do coletor, já ocasionada pelos parafusos.

A espessura da chapa de poliestireno expandido foi escolhida como sendo o valor, em milímetros, de cerca de 75% da diferença de temperatura interna e externa. Assim, para um cenário otimista, com uma diferença de temperatura interna e externa de 20ºC, escolheu-se uma espessura de 15 mm para a chapa de poliestireno expandido. A escolha pela utilização de tubos de alumínio justifica-se pelo fato de que a energia radiante, absorvida na parte superior dos mesmos, é transferida para todo o perímetro do tubo.

Com esta transferência térmica por condução tendendo a homogeneizar a temperatura do tubo, a energia térmica pode ser transferida para o fluido de escoamento por convecção tanto na superfície interior quanto na superfície exterior do tubo. Os tubos foram dispostos em duas fileiras, de modo a aumentar o aproveitamento da área interna do coletor (150 mm x 300 mm) e maximizar a área de captação de radiação solar, sem comprometer a incidência de radiação na fileira inferior de tubos. Desta forma, verificou-se geometricamente que a melhor disposição dos tubos seria de três na fileira superior e dois na fileira inferior.

As chapas em MDF foram escolhidas para fornecer um isolamento térmico adicional ao conjunto, associado com uma proteção estrutural às chapas de poliestireno expandido e de

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vidro laminado. A seção do protótipo com alguns valores geométricos importantes, bem como sua vista isométrica estão ilustradas na Figura 2.

Figura 2 - Seção transversal e vista isométrica do protótipo desenvolvido

O protótipo finalizado em processo de operação na bancada de ensaios com a

instrumentação em funcionamento é mostrada na Figura 3.

Figura 3 - Protótipo finalizado em operação

4.2. CALIBRAÇÃO DO PT100

O PT100 foi calibrado objetivando determinar a faixa de operação e a Veracidade dos

resultados obtidos. O processo de calibração deu-se por comparação com outro PT100 calibrado e utilizado como referência. A resposta do equipamento é Extremamente Linear para a faixa de utilização (0°C a 100°C), logo o processo de calibração utilizou dois pontos de referência conforme Tabela 4 para gerar a curva de calibração.

Tabela 2: Pontos de calibração do PT100 Resistência Medida [Ω] Temperatura de Referência [°C]

110,6 22,06

135,04 69,3

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Com os pontos de referência determinados, plotou-se a curva de calibração (Figura 4):

Figura 4 - Gráfico de calibração do PT100 A temperatura T em °C e o valor de leitura R, em Ω, foi possível determinar a Equação 8. T = 1,9329 * R - 191,72 (8)

4.3. CALIBRAÇÃO DO TUBO DE PITOT

A calibração do Tubo de Pitot foi realizada com o uso comparativo da vazão de medição obtida e da vazão de referência através da placa de orifício calibrada pelo Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A vazão de referência foi comparada com a vazão obtida pelo Tubo de Pitot posicionado na descarga alterando-se as posições com objetivo de abranger os diferentes perfis de velocidade formados na tubulação de descarga.

O tubo de Pitot utilizado foi construído com uma seção de tubo de cobre dobrada em ângulo de 90º e as medições realizadas foram ponderadas com a utilização das Cotas de Newton tendo como referência a coordenada adimensional para tubos de seção retangular x, r a coordenada adimensional para tubos de seção circular e w fator de peso.

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Figura 5 - Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de medição (Fonte: DELMEÉ, 1983)

Após aferir as pressões no manômetro em quatro pontos distintos do escapamento do

coletor, elaborou-se a Tabela 3:

Tabela 3: Calibração do Tubo de Pitot em quatro regiões do escapamento

R w Média (mmCa) Média (Pa) Velocidade (m/s)

0 0,125 1 10,159 4,188

0,5774 0,375 1 10,159 4,188

0,8165 0,375 1,2 12,190 4,601

1 0,125 0,9 9,143 3,982

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5. RESULTADOS

5.1. TEMPERATURA

O protótipo foi montado na bancada de testes, teve seus equipamentos preparados e conferidos para dar início ao ensaio. Os sensores de temperatura PT100 permitiram obter os valores de resistência elétrica.

Os pontos de aferição foram tomados nas duas extremidades do coletor, na admissão, onde o ar era insuflado na temperatura ambiente, e no escape, junto ao sistema de medição de vazão. Com os valores aferidos pelo multímetro calculou-se a temperatura de admissão ( ) e escape ( ) do coletor solar, apresentados na Tabela 4:

Tabela 4. Medições de temperatura do escoamento na entrada e na saída do coletor

solar

Temperatura (º ) Resistência (Ω)

Admissão 25,04 110,60

Escape 42,83 117,30

A temperatura de estabilização apresentada foi de 42,83°C. O ganho de temperatura do

sistema ficou em 17,79°C. 5.2.VAZÃO MÁSSICA

A operação do sistema de coleção de radiação foi realizada com o motor do ventilador operando a 20Hz. A massa específica do ar, calculada para a altitude aproximada da cidade de Porto Alegre, de 10 m, a umidade relativa do dia, de 88%, e a temperatura de saída do ar do coletor, de 42,83o C, resultou em 1,085 kg/s, valor utilizado para obter os valores da tabela 5 abaixo:

Tabela 5.Valores da pressão de estagnação média e velocidade nos pontos medidos

r w Média (mmCa) Média (Pa) Velocidade (m/s)

0 0,125 0,75 7,357 3,683

0,5774 0,375 0,7 6,867 3,558

0,8165 0,375 0,7 6,867 3,558

1 0,125 0,65 6,376 3,428

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A velocidade média do escoamento, , em , é dada pela Equação (9):

(9) Com o valor de velocidade média e conhecendo o diâmetro da canalização, pode-se

calcular a vazão volumétrica, , em , pela Equação (10):

(10)

Pela Equação (11) pode-se calcular a vazão mássica , em .

(11) E com as temperaturas de admissão e escape do coletor solar medidas, com a vazão mássica calculada e

buscando o valor tabelado do calor específico para o ar ( =1007 ), é possível calcular a taxa de calor transferido para o ar através da Equação (12).

(12)

19

6. CONCLUSÃO

Após a realização dos procedimentos de medição de temperatura e vazão descritas

anteriormente, pode-se afirmar que a variação de temperatura obtida pelo coletor, medida pelo PT100, foi de 17,79 ± 0,18o C, superior ao protótipo apresentado inicialmente que obteve uma variação de temperatura 18°C. A velocidade do escoamento obtida no experimento com o uso do Tubo de Pitot foi de 3,557±0,127 m/s e a vazão mássica de 0.0303 ± 0.0011 kg/s.

Baseado nestes resultados, conclui-se que o coletor solar cumpre seu objetivo de realizar o aquecimento de um escoamento de ar de baixa velocidade. Os resultados foram julgados como satisfatórios, pois apresentam uma eficiência térmica semelhante a de um coletor de placa plana com mesmas dimensões , porém com o diferencial do reaproveitamento de latas de alumínio que permitiram um projeto de baixo custo .

As condições impostas nos ensaios diferem muito das condições reais de operação dos coletores. O escoamento promovido neste ensaio deu-se por um ventilador, caracterizando-se em um escoamento forçado, de modo que os coletores foram ensaiados a título de comparação. A situação real de operação se caracteriza por possuir um escoamento de baixíssima velocidade, caracterizando uma transferência de calor por convecção natural. Esta mudança é crucial para se obter o real desempenho dos coletores, que para a correta comparação de desempenho, devem ser ensaiados em sua aplicação real. Reiterando, o fato de não ser possível a obtenção dos dados reais de operação dos coletores não impediu com que se fizesse uma comparação fidedigna de desempenho entre eles, visto que as mesmas condições de energia radiante e velocidade de escoamento foram aplicadas a todos.

Pode-se especular que, em condições de escoamento de baixíssima velocidade, a influência positiva do aumento da energia radiante absorvida pela maior área superficial supere a influência negativa devido a maior perda de carga causada pela construção de um coletor de maior área, aumentando a diferença de desempenho do coletor construído em relação ao coletor de referência. Porém, novamente, um ensaio com elevada dificuldade de se avaliar os parâmetros seria necessário, o que foge do escopo de comparação dos diferentes coletores.

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