UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

RESFRIADOR EVAPORATIVO DIVERGENTE-CONVERGENTE COM

ASPERSÃO DE ÁGUA SOBRE FOLHA DE CELULOSE

por

Fernando Kronbauer

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Julho de 2013

ii

KRONBAUER, FERNANDO. Resfriador evaporativo convergente-divergente com aspersão

de água sobre folha de celulose. 2013. 22f. Trabalho de conclusão da disciplina de Medições

Térmicas do Curso de Engenharia Mecânica – Departamento de Engenharia Mecânica, Uni-

versidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013.

RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo, projeto e construção de um resfriador evaporativo as-

sim como dos instrumentos utilizados nas medições de temperatura, umidade relativa e vazão.

O projeto teve como pilar a escolha de um modelo que priorizasse a evaporação da água em

uma câmara com volume maior em relação à tubulação ao mesmo tempo em que evitasse a

demasiada perda de carga. Também se buscou uma versatilidade em relação aos materiais

empregados na construção. Testes experimentais foram realizados para a calibração dos ins-

trumentos e dimensionamento da eficiência do resfriador. Os dados e condições fornecidos

pela bancada e seus instrumentos foram utilizados para a validação do experimento e para a

escolha de um modelo de melhor eficiência. Durante os testes se conseguiu na sua melhor

configuração uma diminuição de 7,53°C em relação às condições de entrada do ar. Este valor

corresponde a uma diminuição de 25% na temperatura sendo que a umidade relativa alcançou

89,98%. A perda de carga devido ao resfriador e tubulação atingiu 4,9 Pa. . Os resultados

mostraram-se satisfatórios se levados em conta uma primeira tentativa de construção utilizan-

do-se materiais de fácil aquisição. Uma continuação do trabalho tendo como estudo a biomi-

mética e a biônica é sugerida ao final.

PALAVRAS-CHAVE: Resfriador Evaporativo, Celulose, Umidade Relativa, Câmara Diver-

gente-Convergente.

iii

KRONBAUER, FERNANDO. Evaporative cooler convergent-divergent with a sprinkling of

water on leaf pulp. 2013. 22f. Trabalho de conclusão da disciplina de Medições Térmicas do

Curso de Engenharia Mecânica – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Fede-

ral do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013.

ABSTRACT

This work presents the study, design and construction of an evaporative cooler even as

the instruments used in the measurements of temperature, relative humidity and flow. The

project was pillar choosing a model that prioritizes the evaporation of water in a chamber of

large volume in relation to the pipe at the same time to avoid too much loss. It also sought

versatility in relation to the materials used in the construction. Experimental tests were per-

formed for the calibration of instruments and sizing efficiency of the chiller. The data and

conditions provided by the counter and instruments were used to validate the experiment and

for selecting a model of better efficiency. During testing was achieved in its best configura-

tion a decrease of 7.53 ° C in relation to the entry of air. This corresponds to a 25% decrease

in temperature and the relative humidity reached 89.98%. The head loss due to pipe cooler

and reached 4.9 Pa.. The results were satisfactory taken into account if an initial attempt to

build using materials easily acquired. A continuation of the work having as study biomimetics

and bionics is suggested at the end.

KEYWORDS: Evaporative Cooling, Pulp, Relative Humidity, Convergent-Divergent Cham-

ber.

iv

LISTA DE FIGURAS

Figura 01: UR na Carta Psicrométrica..................................................................................... 4

Figura 02: Desenho proposto para o resfriador........................................................................ 7

Figura 03: Processo de construção........................................................................................... 8

Figura 04: Exemplo Modelo de tecido..................................................................................... 9

Figura 05: Modelo de folha de celulose (Papelão)................................................................... 9

Figura 06: Curva de calibração dos termistores................ .......................................................11

Figura 07: Modelo Curva de calibração para a velocidade em função da pressão..... .............12

Figura 08: Materiais para a construção.....................................................................................16

Figura 09: Teste do mecanismo aspersor................................................................................ 16

Figura 10: Resfriador pronto na bancada .................................................................................17

v

LISTA DE TABELAS

Tabela 01: Valores de resistência e temperaturas.....................................................................10

Tabela 02: Diferença entre T medido e T calculado por Steinhart-Hart...............................11 Tabela 03: Dados para a calibração do medidor de velocidade e vazão............................12

Tabela 04: Incertezas das temperaturas calculadas ...............................................................13 Tabela 05: Resultados do resfriador evaporativo.....................................................................14

vi

SUMÁRIO

RESUMO II

ABSTRACT III

LISTA DE FIGURAS IV

LISTA DE TABELAS V

1. INTRODUÇÃO 2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2

3. FUNDAMENTAÇÃO 3

4. O EXPERIMENTO 8

5. RESULTADOS 11

6. CONCLUSÃO 16

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 17

APÊNDICE 18

ANEXOS 19

2

1. INTRODUÇÃO

O crescente aquecimento global, o aumento do custo dos bens de consumo e a busca por

redução no consumo energético implicam aumento da demanda por uma alternativa barata de

climatização de ambiente (Fonte: SOARES, 2003).

Várias pesquisas estão sendo desenvolvidas por apelos mundiais para a conscientização

ecológica, direcionadas para uma preocupação com a ecoeficiência, assumindo-se posições

importantes perante o uso de tecnologias que levam em conta o fator central que é o homem,

seu conforto e sua relação com o meio ambiente. É evidente que o uso racional da água e o

reaproveitamento máximo da energia favorecem não só o lado financeiro e econômico, mas

também o lado ambiental, tendo como foco principal o desenvolvimento sustentável do ho-

mem.

O resfriamento provocado pela evaporação de água ocorre com frequência na natureza.

Genericamente, resfriamento evaporativo ocorre quando algum meio ou produto cede calor

para que a água evapore. A evaporação de um líquido qualquer é um processo endotérmico,

isto é, demanda calor para se realizar. Esta transferência de calor pode ser forçada, quando

fornecemos calor, ou induzida, quando criamos condições para que o produto retire calor do

meio.

Atualmente os sistemas de condicionamento de ar por compressão a vapor e o de venti-

lação são os mais utilizados para esse fim. A importância do resfriamento evaporativo tem

evoluído nas últimas décadas, devido a fatores como a crescente crise de energia, os proble-

mas ambientais causados pelos gases cloroflúorcarbono (CFC) e hidroclorofluorcarbono

(HCFC) usados em condicionadores de ar, bem como a baixa eficiência dos sistemas de venti-

lação, principalmente nos meses mais quentes do ano.

O principal foco deste trabalho consiste em encontrar uma forma de resfriamento evapo-

rativo de baixo custo que proporcione uma eficiência razoável ao mesmo tempo em que seja

competitiva no Concurso da Disciplina de Medições Térmicas. Todavia, o estudo necessário

para a confecção do dispositivo eleva o conhecimento, amplia horizontes e cria oportunidades

para desenvolvimento de projetos com esta conotação.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Com o objetivo de conhecer melhor o processo de resfriamento evaporativo e encontrar

formas de aumentar a eficiência de resfriamento, bem como propor novos materiais e arran-

jos, muitos estudos foram desenvolvidos, seja de cunho teórico, experimental ou aplicado e

serviram de parâmetros para auxiliar no desenvolvimento deste presente trabalho. Assim, a-

presenta-se aqui um estudo bibliográfico onde o conteúdo foi analisado a fim de se obter as

melhores inspirações para o trabalho de Medições Térmicas.

Silva (2002) em Viçosa, Brasil, destaca que em regiões tropicais e subtropicais, a exem-

plo do Brasil, os altos valores de temperatura e a baixa umidade relativa do ar. Visando pro-

mover o arrefecimento térmico e melhorar o ambiente interno das instalações, a avicultura

industrial brasileira vem adotando sistemas climatizados com ventilação em modo de túnel

associados a sistema de resfriamento evaporativo composto de placas de material poroso u-

medecido por gotejamento ou aspersor. Usualmente são empregados nestes sistemas placas de

Celulose Rígida Corrugada. O objetivo de Silva (2002) foi estudar a possibilidade de substitu-

ição da Celulose Rígida Corrugada por argila expandida (cinasita). Avaliou-se a eficiência dos

distintos painéis evaporativos no arrefecimento térmico do ar no interior do galpão. Silva

(2002) certificou que os painéis de Celulose Rígida Corrugada proporcionam melhores índi-

3

ces de conforto térmico e eficiência evaporativa no arrefecimento térmico do que o material

alternativo (cinasita).

Castro e Pimenta (2004) em Brasília, Brasil, simularam a transferência de calor e massa

em painéis de contato ar-água usados em sistema de Resfriamento Evaporativo do tipo Direto

(RED) através de modelos matemáticos e correlações empíricas, de forma computacional,

com o intuito de comparar os dados obtidos nas simulações com os dados do fabricante para

determinar a eficiência de resfriamento e a perda de carga. Observou-se uma boa concordân-

cia entre os resultados obtidos com as simulações e os dados do fabricante, o que validou o

modelo de transferência de calor e massa adotado. Uma estimativa da queda de pressão no

painel evaporativo de Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft) também foi calculada. Para

isso, utilizou-se um modelo semi-empírico a partir dos dados do fabricante. Assim foi possí-

vel simular o painel para diferentes velocidades do ar com as curvas de aproximação obtidas.

Os resultados foram comparados com o modelo de cálculo de queda de pressão em painéis de

Celulose Rígida Corrugada (Papel Kraft), mostrando uma maior concordância com os dados

do fabricante.

El-Dessouky et al. (2004) no Kuwait construíram um protótipo de um sistema de Res-

friamento Evaporativo de dois estágios, constituindo-se de um Resfriador Evaporativo do tipo

Indireto (REI) seguido por um Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED), para avaliar o

desempenho de cada tipo de sistema funcionando de forma independente e em conjunto. A

temperatura média de entrada ficou em torno de 45ºC. Na avaliação, foram consideradas vari-

as espessuras do painel evaporativo, variação do fluxo mássico de água e de ar no Resfriador

Evaporativo do tipo Direto (RED) e Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI), configura-

ções diferentes do Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI) com um único trocador de

calor, dois trocadores de calor em série e em paralelo. A eficiência de resfriamento evaporati-

vo do sistema de dois estágios composto pelo Resfriador Evaporativo do tipo Indireto (REI) e

Resfriador Evaporativo do tipo Direto (RED) ficou em torno de 90 a 120%. Neste caso, a efi-

ciência de resfriamento pode ultrapassar os 100%, limite teórico para um Resfriador Evapora-

tivo do tipo Direto (RED), visto que a temperatura da água atinge valores mais baixos entre os

dois sistemas, e em consequência, uma temperatura de bulbo úmido bem menor. Já o Resfria-

dor Evaporativo do tipo Direto (RED) ficou em torno de 63 a 93%. Enquanto o Climatizador

Evaporativo do tipo Indireto (REI) ficou em torno de 20 a 40%.

Alodan e Al-Faraj (2005) em Riad destacam que os sistemas de resfriamento evaporati-

vo utilizados comercialmente na Arábia Saudita são de Celulose Rígida Corrugada (Papel

Kraft), que por sua vez, são relativamente dispendiosos. No entanto, minerais e poeira presen-

tes no ar e na água podem encurtar a vida útil destes. Assim, descrevem uma nova alternativa

de painel evaporativo fabricado de folhas de metal galvanizado. O painel proposto possui fo-

lhas alinhadas verticalmente em forma de ziguezague, onde o distanciamento entre as folhas

foi em torno de 7,5mm. A água é despejada na parte superior do painel em forma de gotas

através de pequenos orifícios. O ar externo exaurido pelo exaustor é resfriado ao passar pelo

painel em forma de ziguezague, isto é, ocorre o fenômeno provocado pela evaporação de uma

parcela da água gotejada, e assim, aumenta-se a umidade específica deste mesmo ar. Para as

condições mais severas da temperatura de bulbo seco do ar externo, a média da eficiência de

resfriamento evaporativo foi de 76%, 86% e 88%, para os painéis evaporativos com profundi-

dade de 0,15 m; 0,3 m e 0,45 m, respectivamente.

3 FUNDAMENTAÇÃO

TIPOS DE RESFRIADORES EVAPORATIVOS

4

O condicionamento de ar por resfriamento evaporativo é um método ambientalmente

amigável e energeticamente eficiente, que utiliza água como fluido de trabalho e pode ser uma

alternativa econômica aos sistemas convencionais de ar condicionado em muitos casos.

Os equipamentos de resfriamento evaporativo podem ser de refrigeração evaporativa di-

reta (RED) ou de refrigeração evaporativa indireta (REI). Equipamentos de refrigeração direta

resfriam o ar por contato direto ou com uma superfície líquida ou com uma superfície sólida

molhada ou, ainda, através de sprays. Assim, em um RED, a água é vaporizada dentro da cor-

rente de ar e o calor e massa transferidos entre o ar e a água reduzem a temperatura de bulbo

seco do ar e aumentam sua umidade, mantendo constante a entalpia (resfriamento adiabático).

No resfriador evaporativo indireto (REI), o ar que será utilizado para condicionar o am-

biente (ar primário) transfere calor para uma corrente de ar secundária ou para um líquido,

que foram resfriados evaporativamente. A entalpia do ar do lado seco é assim reduzida, em

contraste à redução adiabática de temperatura de um refrigerador evaporativo direto.

A efetividade de um resfriador evaporativo é definida como a taxa entre a queda real de

temperatura de bulbo seco e a máxima queda teórica que a temperatura de bulbo seco poderia

ter se o resfriador fosse 100% eficiente e o ar saísse saturado. Neste caso a temperatura de

bulbo seco na saída seria igual à temperatura de bulbo úmido do ar na entrada (TRANE,

1978).

MISTURA ADIABÁTICA

No processo psicrométrico realizado pelo climatizador evaporativo a água líquida é in-

jetada no ar ambiente a fim de aumentar sua umidade. O processo de mistura é adiabático e

segundo Beyer (2004) pode-se desprezar a energia de bombeamento. Neste caso tem-se o

processo usado para definição da temperatura de bulbo úmido, que permanece constante neste

processo, com pequeno aumento de entalpia, que pode ser desprezado. A taxa de transferência

de calor, portanto, vale:

(1)

O consumo de água vale:

(2)

Entretanto, este parâmetro pode ser estimado experimentalmente através do seguinte

procedimento: medição da quantidade de água inserida no reservatório, operação do equipa-

mento durante tempo conhecido e nova medição da quantidade de água no reservatório.

Chamando as condições de entrada de 1, a saída de 4 e a saturação de s, tem-se que a e-

ficiência de saturação s define o quanto o ar se aproxima da saturação, ou seja:

(3)

Onde s é a eficiência de saturação (na ordem de 70 a 90%) e Pr uma propriedade ter-

modinâmica, que pode ser temperatura ou conteúdo de umidade.

Apesar do fluxo de energia ser zero, segundo Beyer (2004) consegue-se um resfriamen-

to sensível do ar à custa de um aumento de sua umidade, ou seja, calor latente.

5

UMIDADE RELATIVA

E a representação da relação entre as pressões parciais de vapor (v p) e a pressão de sa-

turação do ar a uma mesma temperatura ( sat p ). A Figura 1 ilustra a linha de umidade relati-

va na carta psicrométrica.

Figura 1 – UR na Carta Psicrométrica (Fonte: BEYER, 2007)

A umidade relativa pode ser calculada através de equações porém , para este trabalho, a

carta psicrométrica será utilizada com os dados obtidos através do Bulbo Seco e Bulbo Úmi-

do.

3.4 BULBO SECO E BULBO ÚMIDO

Para a determinação da umidade relativa do ar é necessária a utilização de duas tempe-

raturas distintas:

Temperatura de bulbo seco (Tbs), que é a temperatura do ar atmosférico medida por um

termômetro comum, protegido contra eventuais radiações.

Temperatura de bulbo úmido (Tbu), que é a temperatura medida por um termômetro cu-

jo bulbo foi coberto por uma mecha de tecido contendo água.

Quando estes dois termômetros são submetidos a uma corrente de ar em movimento a

temperatura do termômetro cujo bulbo foi recoberto por uma mecha contendo água (termôme-

tro de bulbo úmido) apresentará uma temperatura menor ou igual a do outro termômetro (ter-

mômetro de bulbo seco). Isso se deve ao fato da umidade da mecha ao evaporar, retirar calor

do bulbo reduzindo assim a temperatura medida neste termômetro. A quantidade de água que

pode evaporar da mecha é inversamente proporcional à quantidade de vapor existente no ar

atmosférico. Assim sendo quanto menor a umidade do ar atmosférico maior será a diferença

de temperatura entre os dois termômetros.

VAZÃO MÁSSICA

Em escoamentos de fluidos em tubulação, muitas vezes há o interesse de se saber a

quantidade desse fluido que atravessa determinada região transversal de um duto em uma de-

terminada unidade de tempo, sendo chamada de vazão mássica 𝑚 (g/s) e definido por:

(4)

onde, Q respresenta a vazão volumétrica em m³/s, e ρ a densidade em kg/m³.

6

No entanto, essa vazão não varia somente conforme a velocidade do fluido, já que a

densidade do mesmo depende muito da pressão e da temperatura a que está submetido. Dessa

forma, é necessária a correção da densidade conforme as propriedades termodinâmicas forem

alteradas a partir da equação dos gases perfeitos:

(5)

A relação entre a massa do fluido, m (kg), e sua massa molar, M (kg/kmol); bem como a

relação entre a constante universal dos gases, (kJ/kmol.K), e a massa molar, são dadas por:

(6)

Tendo o conhecimento dessa relação, a equação dos gases perfeitos pode ser reescrita de

forma a obter-se uma expressão para a densidade ρ (kg/m³) na forma:

(7)

E assim sendo, a equação da vazão mássica pode ser expressa conforme a Equação (8)

abaixo, onde as propriedades termodinâmicas podem ser obtidas experimentalmente.

(8)

VAZÃO VOLUMÉTRICA

Fluidos escoando em algum tubo com área de sessão transversal A (m²) com uma velo-

cidade v (m/s), tem sua vazão volumétrica (m³/s) definida como sendo (FOX e MCDO-

NALD, 1995):

(9)

Considerando um volume de controle (VC) pré-estabelecido para o sistema em avalia-

ção, é possível melhor essa equação levando em consideração alguns parâmetros, como a con-

servação de massa. A massa que entra nesse VC deve ser igual à massa que sai dele, o que nos

leva a equação da continuidade:

(10)

Na equação acima, a primeira parcela da soma representa a taxa de variação de massa

dentro do VC e a segunda parcela representa a taxa líquida de fluxo de massa através da su-

perfície de controle. Pela definição da constância de massa tem-se a soma resulta em zero.

Há situações específicas onde a Equação (7) pode ser simplificada. Uma dessas situa-

ções seria escoamento de um fluido incompressível onde ρ (kg/m³) permanece constante; des-

sa forma, primeiro termo pode ser reduzido à zero, já que a integral de dVsobre o volume de

controle representa exatamente todos o seu volume, assim, para um VC constante, a simplifi-

cação da Equação (7) resulta em:

7

(11)

Para um escoamento incompressível, a vazão que entra em um VC deve ser igual à va-

zão que sai do mesmo. Sendo a área transversal A (m²) do tubo a superfície de controle, a E-

quação (8) se torna a expressão para vazão volumétrica (m³/s), como mostrado a seguir:

(12) MEDIÇÃO DE TEMPERATURA E VAZÃO

Os termistores apresentam um comportamento bastante não-linear, com uma diminuição

da resistência com o aumento da temperatura. O material empregado é um semicondutor, que

no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 0 ºC até 200 ohm a 100 ºC.

A diminuição da resistência com a temperatura vale a esse tipo de sensor o nome de

NTC (coeficiente de temperatura negativa). O comportamento não-linear do termistor é repre-

sentado pela relação

(13)

onde A e B são constantes.

Tubo de Pitot

A velocidade de uma dada corrente de um escoamento pode ser obtida a partir da medi-

ção de duas pressões: estática e de estagnação, apresentadas no material da presente discipli-

na, relativo à medição de pressões [SMITH SCHNEIDER, 2003]. A diferença entre essas

duas pressões é chamada de pressão dinâmica.

A velocidade do fluido é obtida pela equação pela da lei de conservação da massa e da

energia. A lei da conservação da massa aplicada a dois pontos 1 e 2 de uma linha de corrente

resulta em

(14)

As grandezas V e A referem-se à velocidade média do escoamento e à área da seção

normal ao mesmo escoamento, nas posições de uma linha de corrente. A equação anterior

pode ser reescrita para a velocidade V1 como segue:

(15)

Definindo-se 𝛽 =𝐷2

𝐷1 relação entre os diâmetros da tubulação nos pontos 1 e 2, chega-

se em:

(16)

A lei da conservação da energia para escoamentos permanentes, incompressíveis (ρ1=

ρ2= ρ), adiabáticos e sem atrito é dada pela equação de Bernoulli. Introduzindo o resultado a

última equação, a expressão para a velocidade em um escoamento é dada por

8

(17)

No caso de um tubo de Pitot, onde o diâmetro em 2 é muito menor do que o da tubula-

ção em 1, o coeficiente geométrico 𝛽0, e a velocidade do escoamento é simplesmente dada

por

(18)

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

na superfície do tubo.

A vazão é dada por

(19)

onde 𝑉 é o vetor velocidade, em m/s, e 𝐴 é o vetor área orientada, em 𝑚2.

4 O EXPERIMENTO

Dentre as possibilidades de configurações de resfriadores evaporativos analisados foi

escolhido um modelo onde a entrada do ar tem a forma cônica, divergente. Após o ar é resfri-

ado em uma câmara e tem sua saída simétrica à entrada, um cone convergente.

A geometria cônica foi escolhida para haver uma transição suave do fluxo de ar entre os

bocais de entrada e saída e a câmara cujo diâmetro é maior. Desde modo evitam-se grandes

perdas de carga. Ainda, com esta geometria, há uma diminuição da velocidade do ar ao entrar

na câmara sendo então melhor resfriado. Já o volume maior da câmara possibilita maior con-

tato com as gotículas de água aspergidas o que também proporciona melhor resfriamento.

Para o interior da câmara foram desenvolvidos dois modelos de acumuladores de umi-

dade.

A geometria e os materiais utilizados tiveram como barreiras as matérias-primas dispo-

níveis no mercado e o custo envolvido. Optou-se por, a partir do projeto definido, variar as

características do resfriador à medida que os materiais foram sendo encontrados priorizando-

se assim a criatividade.

O desenho esquemático encontra-se a seguir.

Figura 2 – Desenho proposto para o resfriador

9

Observa-se todo o equipamento que é dividido nas três partes principais: entrada de ar,

câmara de resfriamento e saída de ar.

Esta configuração foi definida como ideal e como já mencionado, as variações ocorre-

ram devido à disponibilidade de materiais para a construção.

ENTRADA E SAÍDA DE AR

Para a tomada do ar, vindo já caracterizado com as definições do Edital, foi definido

uma secção variável a partir do diâmetro da tubulação de entrada do ar (100 mm) até o diâme-

tro da câmara de resfriamento (300 mm).

Após a câmara, de forma simétrica, há a saída do ar da secção de 300 mm até novamen-

te o diâmetro da tubulação. Em outras palavras, a entrada e saída de ar têm formatos cônicos.

Durante a procura de materiais foi encontrado um que se encaixou nas características

procuradas: um cone de sinalização. O mesmo possui a geometria procurada necessitando

apenas de alteração para adequar-se ao diâmetro de 100 mm da tubulação, o que foi consegui-

do através de cortes. Pode-se observar na Figura 3 o processo de construção.

Figura 03 – Processo de construção do resfriador – Entrada e saída de ar

Pode ser visto o local do corte e a junção da tubulação.

Para a saída de ar o mesmo procedimento foi tomado. A diferença consiste apenas no

bocal de saída, mais alongado, onde os instrumentos de medição foram colocados.

CÂMARA DE RESFRIAMENTO

A câmara de resfriamento foi pensada de modo a ter um maior volume e como conse-

quência maior volume de ar resfriado.

Para tanto, uma tubulação de 300 mm de diâmetro por 300 mm de comprimento foi uti-

lizada, sendo suas extremidades ligadas pelos cones.

Para o interior, primeiramente, foi definido um painel de Celulose Rígida Corrugada

(Papel Kraft) que tem o formato de colméia. A água seria expelida através de uma tubulação

10

sobre o painel. O material desejado, porém, não foi encontrado e partiu-se então para soluções

alternativas que mantivessem as funções do original.

Dois modelos foram construídos. O primeiro consiste em uma estrutura de mangueiras e

madeiras que suportam duas faixas de tecidos de algodão, posicionadas perpendicularmente

entre si e axialmente à câmara. Na figura a seguir pode-se apreciar o modelo.

Figura 4 – Modelo de tecido

A água pulverizada na parte superior da câmara deve incidir sobre o tecido. Dessa for-

ma há o resfriamento evaporativo direto através das micro-gotículas e também pelo contato do

fluxo de ar com o tecido molhado.

O outro modelo construído trata-se de uma variação grosseira do modelo idealizado em

painel de celulose rígida. Na Figura 5 pode-se observar o modelo já na câmara e a mangueira

responsável pela pulverização no interior da mesma.

Figura 5 – Modelo de folha de celulose (Papelão)

11

Este modelo usa material de folha rígida de celulose (papelão) ondulado. O material foi

colocado dentro da câmara de forma com que água pulverizada entre em contato com o papel

e crie uma região úmida que evapore com o fluxo de ar. Da mesma forma do primeiro mode-

lo, a água pulverizada e a umidade do papel fariam o trabalho de resfriamento evaporativo.

Para a pulverização d‟água foi utilizada uma mangueira onde pequenos furos foram fei-

tos para a saída da água em forma de gotículas. A mangueira, ainda que de forma pouco efici-

ente, colabora com o resfriamento de modo indireto.

Para ambas as configurações, um regador de jardinagem foi escolhido para levar a água

sob pressão para dentro da câmara.

EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO

Com o objetivo de analisar a capacidade de resfriamento do equipamento desenvolvido

e mensurar a perda de carga do mesmo, projetou-se e construiu um medidor de vazão do tipo

Pitot, um termômetro resistivo e um higrômetro de bulbos seco e úmido.

O tubo de Pitot foi colocado à jusante do equipamento e ligado a uma mangueira for-

mando um manômetro em “U”. O mesmo foi confeccionado a partir de conexões de plástico

existentes no mercado.

Para as medidas de umidade relativa do ar foi confeccionado um higrômetro a partir de

dois termistor do tipo NTC. Um deles foi envolvido em um tecido de algodão e umedecido

caracterizando o bulbo úmido. O outro foi colocado ao lado do primeiro sendo este o bulbo

seco. Para a identificação da umidade relativa baseada nessas duas medidas foi utilizada uma

carta psicrométrica.

A temperatura do ar na saída foi medida com base no termistor utilizado no bulbo seco,

ou seja, a temperatura de bulbo seco é a temperatura de saída de ar medida.

5. RESULTADOS

A calibração do NTC foi feita realizando medidas simultâneas da temperatura (T) medi-

da por sensor PT-100 e da resistência do sensor NTC (Ω). A partir da relação resistência-

temperatura determinam-se as constantes de calibração. Para tanto, a bancada montada no

laboratório foi utilizada como referência de calibração, a fim de avaliar o desempenho dos

medidores construídos com o auxílio de um multímetro digital e do software utilizado para

aquisição dos dados de referência da bancada. Do mesmo modo foi feita a calibração no que

se refere à umidade relativa que é uma função das medidas de temperaturas de bulbo seco e

bulbo úmido.

Os valores obtidos são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 – Valores de resistência e temperaturas

Resistências Medidas

Leitura T Bulbo Seco

(°C)

T Bulbo Úmido

(°C) UR (%) R Seco (Ω) R Úmido (Ω)

1 27,91 21,23 54,92 4678 6596

2 27,16 20,96 57,34 4824 6612

3 26,71 20,83 58,88 4910 6592

4 25,25 20,37 63,9 5230 6742

5 23,14 19,66 72,46 5706 6964

12

Para a determinação das temperaturas a partir dos valores de resistências medidos por

termistores, como é o caso do NTC utiliza-se equação de Steinhart-Hart.

(20)

Onde T é a temperatura, R a resistência e a, b e c são valores fornecidos pelo fabricante.

As temperaturas calculadas através desta equação encontram-se na Tabela 2 assim como o

erro comparado à medição de bancada.

Tabela 2 – Diferença entre T medido e T calculado por Steinhart-Hart

Bulbo Seco Bulbo Úmido

Steinhart-Hart

(°C) Diferença (°C) Erro (%)

Steinhart-Hart

(°C)

Diferença

(°C) Erro (%)

26,52 1,39 4,98% 18,8 2,43 11,45%

25,82 1,34 4,93% 18,75 2,21 10,54%

25,88 0,83 3,11% 18,81 2,02 9,70%

23,98 1,27 5,03% 18,32 2,05 10,06%

22,01 1,13 4,88% 17,61 2,05 10,43%

Percebe-se grande erro nas medidas principalmente para bulbo úmido. Estes erros se

devem à má qualidade do termistor associada ainda ao erro do multímetro digital e operador.

Como o experimento foi testado em com o intuito de validação e calibração, as medidas

tomadas como corretas são as do laboratório. Para tanto se construiu uma curva de calibração

com os dados obtidos que pode ser vista na Figura 4.

Figura 4 – Curva de calibração dos termistores

O sensor NTC apresenta curva exponencial, porém, para a faixa de temperaturas deste

projeto (20°C – 40°C) apresenta certa linearidade. Entretanto um ajuste de curva de terceiro

grau mais se aproximou para esta faixa. A equação e os coeficientes são:

y=a+bx+cx^2+dx^3 (21)

a = 150.41824

13

b = -0.05569427

c = 8.3766404e-006

d = -4.4142374e-010

A umidade relativa medida no experimento é função das temperaturas de bulbo seco e

bulbo úmido logo, depende dos valores de resistência já mencionados. Para a obtenção do

valor da UR usam-se equações ou a carta psicrométrica. Pela facilidade optou-se pelo uso da

última para eventuais consultas.

O Tubo de Pitot foi calibrado através de comparação da velocidade do ar na saída, me-

dido por instrumento do laboratório e o a medida de um manômetro inclinado, conectado ao

Tubo de Pitot. Foram tomadas três velocidades que podem ser visualizadas na tabela a seguir.

Tabela 3 – Dados para a calibração do medidor de velocidade e vazão

ΔP (mm CA)

ΔP (Pa) Velocidade

Bancada (m/s)

Velocidade Calculada

(m/s) Erro (m/s) Erro (%)

Vazão Calculada com dados da ban-

cada (m3/s)

1,5 14,71 6,5 4,95 1,55 24% 0,03887

2,8 27,46 8,8 6,77 2,03 23% 0,05311

3,8 37,26 10,9 7,88 3,02 28% 0,06186

Novamente pode-se observar um erro grande na medida do aparato construído, conside-

rando-se o uso da equação 18 para o cálculo da velocidade a partir da altura medida no ma-

nômetro. O erro deve-se ao fato da construção rústica do modelo. A tabela mostra também os

valores obtidos em bancada que foram utilizados para calibrar o medidor. Uma curva foi defi-

nida com os três pontos tomados.

Figura 6 – Curva de calibração para a velocidade em função da pressão

Equação da curva: y=a+bx+cx^2 (22)

Onde:

a = 4.4501672

b = 1.1508361

c = 0.14381271

Tendo em mãos as curvas de calibração dos sensores temos que analisar as incertezas

14

associadas. Existem três fontes de incertezas associadas que estão associadas às medidas fei-

tas com os sensores que são:

- Incerteza nos valores das resistências:

A única especificação técnica com relação aos sensores é em relação ao valor da

resistência elétrica nominal de cada sensor, logo foi necessário á calibração de cada sensor.

Com esta abordagem eliminamos esta incerteza.

- Incerteza no valor real da temperatura:

Os sensores foram calibrados de acordo com os valores de temperatura fornecidos pela

bancada do laboratório, através de PT 100. No entanto, o valor de temperatura medido pelo

termômetro também tem uma incerteza associada. Para fins de simplificações dos cálculos a

incerteza associada ao elemento sensor de calibração foi desprezada, os valores de temperatu-

ras lidos na bancada foram considerados absolutos.

- Incerteza do multímetro:

A medição também está sujeita a incerteza associada ao multímetro utilizado. Para fins

de cálculos de incerteza utilizou-se como a variação fornecida pelo manual do fabricante do

multímetro. Que segue:

Multímetro digital modelo POL777.

Resolução na escala de 200 Kohm igual a 0,01 Kohm. Exatidão +- (1% +2d).

Então considerando 2d=10 ohm, temos:

E= +- (1% +0.01) Kohm.

𝑇 𝑅 = 𝑎 + 𝑏𝑥 + 𝑐𝑥2 + 𝑑𝑥3

As incertezas de medição do medidor em questãoforam calculadas através da equação

de incerteza propagada segundo Kline e McClintock (HOLMAN, 1996), conforme segue:

(23)

𝛥𝑇 = ∂T(R)

∂R𝛥𝑅

2

(24)

𝛥𝑇 = 𝑏 + 𝑐𝑥 + 𝑑𝑥2 0,01𝑅 + 0,01 2 (25)

Os resultados foram plotados na tabela que segue.

Tabela 6 – Incertezas calculadas

Resistências

medidas (Ω)

Temperatura

(°C) ΔT

4678 27,91 1,22

4824 27,16 1,23

4910 26,71 1,24

5230 25,25 1,25

5706 23,14 1,27

15

6596 21,23 1,30

6612 20,96 1,30

6592 20,83 1,30

6742 20,37 1,30

6964 19,66 1,31

Observa-se um aumento à medida que diminui o valor da resistência.

O cálculo da incerteza quanto à umidade relativa não foi analisado visto a complexidade

da equação envolvida e tendo em vista que os valores podem ser consultados através de cartas

psicrométrica com as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido.

Da mesma forma, a incerteza associada a medição é da velocidade do ar pelo Tubo de

Pitot foi calculada através da equação (23) e utilizando a equação da curva característica (22)

da calibração do Pitot. A resolução do manômetro é de 0,05 mmCA.

Os valores de ΔV, pra k=2, foram: 0,034; 0,038 e 0,042.

Para a análise da eficiência de resfriamento do experimento o mesmo foi testado em su-

as duas configurações. No primeiro dia de testes foi testada câmara com folha de celulose

semi-rígida.

O teste consistiu de uma medição à temperatura ambiente seguida de outra a aproxima-

damente 30°C, valor máximo atingido pela bancada no dia devido a problemas com a resis-

tência da mesma.

Da mesma forma ocorreu o teste com a câmara de resfriamento operando com o interior

de tecido. Os dados adquiridos e comparados em gráfico e tabela a seguir para a avaliação de

suas respectivas eficiências.

Tabela 7 – Resultados do resfriador evaporativo

Entrada Saída

Modelo T Seco

(°C) T Úmido

(°C) UR (%)

T Seco (°C)

T Úmi-do (°C)

UR (%) Diferença de T (°C)

Eficiência Perda

de Car-ga (Pa)

Folha de celulose

21,67 18.03 71,12 20,26 19,74 89,68 1,41 7% 4,9

Folha de celulose

29,73 22,14 51,46 22,2 22,07 89,98 7,53 25% 4,9

Tecido 22,01 19,23 76,85 21,45 19,87 86,51 0,56 3% 4,9

Tecido 29,14 23,12 60,43 22,12 20,71 88,30 7,02 24% 4,9

Através da análise da tabela anterior observa-se uma semelhança entre os as temperatu-

ras atingidas por ambos os modelos. A perda de carga manteve-se constante em todas as con-

figurações.

Afinando-se a observação, percebe-se uma ligeira vantagem do resfriamento do modelo

de folha de celulose em relação ao de tecido. Quando o modelo operou com temperatura am-

biente, em torno de 22 °C não houve grande mudança de temperatura, o que é esperado pela

teoria.

Em um funcionamento simulado a 30° C houve uma redução de 7,53°C e aumento de

umidade relativa de 51% para quase 90%. O resfriamento teve como limite a temperatura am-

16

biente. Por outro lado, como não houve a possibilidade de aumento de temperatura a 40°C

devido a problemas na bancada, não foi possível determinar qual seria o ΔT máximo atingido.

O infortúnio, porém, não foi entrave para a determinação do modelo a ser usado na ava-

liação.

6. CONCLUSÃO

Neste experimento foram construídos um resfriador evaporativo, um medidor de vazão

do tipo Pitot e medidores de temperatura e umidade relativa com sensores NTC.

Os resultados das medições utilizando-se as equações dos respectivos sensores não fo-

ram satisfatórios. As calibrações dos instrumentos, portanto, foram essenciais. Os dispositivos

foram comparados aos instrumentos do LETA e tiveram suas curvas características determi-

nadas, para as faixas de medições aqui necessárias.

Em relação ao resfriador evaporativo foram construídos e testados dois modelos para o

interior da câmara de resfriamento: um de tecido e outro de folhas de celulose. Ambos apre-

sentaram desempenhos semelhantes, porém o último mostrou-se mais eficaz, sendo que pro-

porcionou uma diminuição de temperatura de quase 8°C sendo que isso representa uma dimi-

nuição de 25 % da temperatura de entrada. O valor da umidade relativa, como era esperado,

apresentou grande aumento chegando aos quase 90 %. A perda de carga mostrou-se tolerável

sendo esta 4,9 Pa.

Os resultados apresentados não foram totalmente satisfatórios visto que não foi possível

atingir a temperatura desejada de 40°C na bancada devido a problemas na mesma.

Após a análise de todos os dados aqui divulgados foi determinada a configuração a ser

usada nos testes referentes ao concurso da disciplina de Medições Térmicas. Esta será a que

apresentou melhor desempenho nos testes e que consiste em água aspergida sobre folha de

celulose.

Como continuação a este trabalho sugere-se um estudo através da biomimética e a biô-

nica com o objetivo de encontrar formas que se adaptem às características aqui procuradas.

Pode-se citar, por exemplo, a busca de vegetais que possuam uma afinidade a água e que pos-

sam liberar a mesma evaporando-a quando submetidas ao vento. Ou ainda, a busca de materi-

ais que tenham um comportamento de se adaptar ao vento, fazendo com que o mesmo escoe

com uma mínima perda de carga.

Os resultados do modelo construídos mostraram-se satisfatórios levando-se em conta

uma primeira abordagem. O estudo da natureza e sua ligação com a Engenharia poderá forne-

cer soluções novas e surpreendentes que satisfaçam os desejos do autor.

17

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

FOX, R. W., MCDONALD, A. T., PRITCHARD, P. J., Introdução à mecânica dos fluidos, Rio

de Janeiro, LTC (2006).

ASHRAE – „‟Handbook of Fundamentals‟‟ – Editora ASHRAE (ISBN:978-1-9337 42-55-7);

BAYER, P. O. – Polígrafo de Climatização – Editora DEMEC – UFRGS;

ASHRAE – „‟ASHRAE Standard 41.5-75, Standard Measurement Guide, Engineering Analysis

of Experimental Data‟‟ – Editora ASRAE;

SCHNEIDER, P.S. – Apostila de Medições Térmicas – Editora DEMEC - UFRGS;

18

APÊNDICE

Figura 7 – Materiais para a construção

Figura 8 – Teste do mecanismo aspersor

Figura 9 – Resfriador pronto na bancada

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ANEXOS

Carta psicrométrica (Fonte: CARRIER, 2009).