UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

ESTUDO DE UM COLETOR SOLAR DE PLACA ONDULADA

por

Matheus Henrique Pereira Kroth

William Bellinazo Roca

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Julho de 2014

2

RESUMO

O presente trabalho estuda um coletor solar, de placa ondulada, para aquecimento de ar, com duas

configurações diferentes. A primeira com dois vidros, que tem entre eles uma camada de ar estagnado

formando uma barreira às perdas por convecção natural, e outra com apenas um vidro. O coletor é feito

com paredes de madeira cedrinho, com vidros comuns e a placa coletora constituída de uma telha Brasilit

de fibrocimento, apoiada em pregos no centro do coletor. São feitos dois ensaios controlados, a partir da

radiação fixa de lâmpadas incandescentes e com escoamento provocado por um ventilador de rotação

fixa. Nos ensaios, instrumentos de medição construídos pelo grupo para realizar as medições de

temperatura e pressão, e subsequente cálculo de vazão a partir da pressão medida com um tubo de Pitot.

Os resultados obtidos apontaram a configuração com apenas uma placa como o mais eficiente,

transferindo uma taxa total de calor para o ar de 514,9 W contra 394,6 W do arranjo com duas placas. O

aumento de temperatura da saída para a entrada do coletor foi de 18,8⁰C com um vidro e 15,2⁰C com dois

vidros, enquanto a vazão ficou em 0,027 m3/s com um vidro e 0,03 m3/s com dois.

Palavras-chave: Coletor solar; Aquecedor solar; Aquecimento de ar; Placa ondulada

3

ABSTRACT

The present work studies a solar collector with a corrugated plate, for air heating purposes, on two

different configurations. The first with two glasses, having a stagnated air in between them forming a

barrier to loss due to natural convection, and another with only one glass. The collector is made with

wood of white cedar, with common glasses and the collector plate made with a fiber cement roof tile of

Brasilit brand, leaned on nails on the center of the collector. Two experiments are made, one with

constant radiation incandescent lamps and with the flow being caused by a constant rotation fan. On the

tests, measuring instruments are created by the group to realize the measuring of temperature and

pressure, and subsequent calculation of flow from the pressures measured with a Pitot tube. The gathered

results point to the single plate being the most efficient configuration, transferring a total heat flux of

514,9 W to the air stream against 394,6 W of the two glass assemble. The increase of the exit temperature

to the entrance of the collector is 18,8⁰C with one glass and 15,2⁰C with two glasses, while the flow is

0,027 m3/s for the former and 0,03 m3/s for the latter.

Keywords: Solar Collector; Solar Heater; Air heating; Corrugated plate

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SUMÁRIO

LISTA DE SÍMBOLOS ................................................................................................................ 5

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

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 8

3. FUNDAMENTAÇÃO DO PROBLEMA ............................................................................. 9

4. APRESENTAÇÃO DO PROJETO .................................................................................... 11

4.1 Configuração do Coletor ................................................................................................ 11

4.2 Desenho do Coletor ........................................................................................................ 12

4.3 Bancada de Ensaios ........................................................................................................ 14

5. MONTAGEM DO PROTÓTIPO ....................................................................................... 14

6. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO .................................................................................... 15

7. RESULTADOS E ANÁLISES ............................................................................................ 17

8. CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 19

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

ANEXO ........................................................................................................................................ 21

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LISTA DE SÍMBOLOS

Área constante da tubulação [m2]

Área superficial da placa do coletor [m2]

Calor específico [J/(kg.K)]

, Constantes arbitrárias do NTC [⁰C.Ω]

Diâmetro da tubulação [m]

Radiação incidente no coletor [W]

Aceleração da gravidade [m/s2]

Altura de elevação do ventilador [m]

ℎ Perda de carga do sistema [m]

ℎ Coeficiente médio de transferência de calor por convecção [W/(m2K)]

Vazão mássica de ar [kg/s]

Pressão no ponto i [Pa]

Taxa de calor total transferida para o ar [W]

Taxa de calor de convecção entregue ao ar pela placa [W]

Resistência [Ω]

Número de Reynolds do escoamento [Adimensional]

Temperatura de admissão no coletor [K]

Temperatura da placa do coletor [K]

Temperatura de descarga no coletor [K]

Temperatura do ar nas redondezas da placa [K]

Incerteza propagada para a variável r [Adimensional]

!"# Incerteza medida para a variável $ [Adimensional]

% Função base para o cálculo da incerteza [Adimensional]

% Vazão [m3/s]

6

& Velocidade média [m/s]

& Velocidade do ar no ponto i [m/s]

' Peso de cada ponto de medição i [Adimensional]

$ Variáveis com incerteza associadas à função base [Adimensional]

( Altura (cota) no ponto i [m]

)*++ Coeficiente linear do PT100 [°C/Ω]

, Viscosidade dinâmica [Pa.s]

- Massa específica [kg/m3]

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1. INTRODUÇÃO

Para diversas aplicações do dia-a-dia, o sol é utilizado para suprir necessidades, como iluminação,

fonte de energia e de aquecimento. Sendo abundante e praticamente inesgotável, a radiação solar é foco

de diversas pesquisas e aplicações, que objetivam otimizar o uso dessa fonte natural de energia.

Dentre as várias aplicações que se associam a energia solar, destacam-se a produção de

eletricidade e o aquecimento. O primeiro é feito através de painéis fotovoltaicos, e é utilizado em diversas

partes do mundo como fonte alternativa. Já o segundo, que é o foco desse trabalho, envolve a exploração

da energia térmica recebida do sol, e possui diversas utilidades, como aquecimento de água e fornos

solares.

Este trabalho, voltado para a disciplina de Medições Térmicas, propõe o estudo, a construção e a

otimização de um coletor solar térmico, que é parte de um projeto de secagem de frutas, empreendido na

Quinta da Estância, em Viamão-RS. Na Figura 1, adaptada do edital do trabalho, é disposta a foto da

montagem do projeto, sendo destacado o coletor presente no local.

Figura 1.1: Montagem do coletor solar na Quinta da Estância (Schneider, 2014a)

O coletor, mostrado na imagem, tem como função principal o aquecimento do fluido de trabalho

(ar) que escoa em seu interior. Ele é composto por uma caixa de madeira, sendo a parte superior

envidraçada para permitir a entrada da radiação solar, e com uma placa pintada de preto no interior, que

otimiza a coleta de energia solar e aquecimento do ar ao seu redor.

Após o coletor, o processo de secagem de frutas é feito na câmara de secagem, onde dispõem-se

as frutas em uma grade, e ar quente é recebido do coletor. Ainda existe um leito de pedras na câmara, que

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aquece durante o dia e libera o calor durante a noite, possibilitando a secagem noturna. Após essa

passagem, o ar volta à atmosfera através da chaminé no topo da câmara.

Para o presente trabalho, os objetivos finais foram: a construção de um protótipo do modelo de

coletor solar apresentado, a elaboração de instrumentos de medição para o experimento, a realização de

ensaios para medir adequadamente as grandezas do sistema e a modificação do projeto visando a

otimização de quatro parâmetros do protótipo, que influenciam diretamente na secagem das frutas. São

eles: o aumento da temperatura do ar entre a admissão e a descarga, da vazão mássica de ar, da taxa de

calor transferida para o ar e a minimização de sua incerteza de medição.

O projeto foi testado em condições controladas, em um ensaio a partir da radiação de lâmpadas

incandescentes. Isso permite uma condição de irradiação igual para todos os grupos de alunos que fizeram

o trabalho, e possibilita uma comparação justa entre os diferentes projetos.

A construção do protótipo de coletor foi particular de cada grupo, ou seja, as técnicas utilizadas

para aperfeiçoar o projeto foram diferentes. Isso implica que cada grupo idealizou uma configuração

diferente, diferindo principalmente na montagem da placa de coleta solar, no vidro e em outras técnicas

de posicionamento e inovação.

As motivações para a construção do coletor e a elaboração do relatório foram: a compreensão do

projeto apresentado, a prática correta de medições de grandezas em experimentos reais e o

aprofundamento e aplicação dos conhecimentos obtidos no curso de engenharia.

A estruturação deste trabalho, após esta introdução no primeiro capítulo, foi organizada da

seguinte maneira: no segundo capítulo, foi feita uma revisão bibliográfica a partir de artigos e referências

pertinentes ao presente estudo. No terceiro, está dada a fundamentação teórica do problema estudado, que

formula os fenômenos envolvidos. O quarto capítulo compõe a apresentação do trabalho, que está

subdividida nos detalhes da configuração do coletor, no desenho do mesmo e na apresentação da bancada

de ensaios, onde serão feitas as medições das grandezas. Para o quinto, foi ilustrada e comentada a

montagem do protótipo. No sexto, foram especificados os instrumentos de medição utilizados. A seguir,

no sétimo estão dispostos os resultados obtidos nos ensaios na bancada, para temperatura, pressão e

vazão, e a análise desses. No oitavo dispõem-se as conclusões do trabalho, quanto à qualidade do coletor

e a verificação dos objetivos do projeto. Por fim, seguem as referências do trabalho.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A utilização de coletores solares para aumento da captação da radiação solar começou a se

difundir no mundo com o desenvolvimento do coletor de placa plana, por Hottel e Whillier, 1955. Esse

tipo de coletor, que é um dos tipos mais comuns encontrados, é constituído de uma placa preta para

absorção solar, uma cobertura transparente para reduzir perdas, um fluido de transporte para o calor e um

envoltório isolador nas laterais.

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Existem vários exemplos de usos de coletores solares objetivando, e alcançando, a redução do

tempo de secagem de materiais e o aumento da temperatura em relação ao ambiente. O coletor de

Mendes, 1985, teve formato parabólico e objetivava a secagem de madeira. Ayensu, 1997 utilizou um

coletor com formato de trapézio, para secagem de produtos de colheita. Já Hossain e Bala, 2007

utilizaram um coletor de placa plana, com 20 m de comprimento, para a secagem de pimentas.

Muitos estudos têm sido feitos para projetar e aprimorar coletores solares, sendo realizados testes

de eficiência e otimização de parâmetros. Os testes com fonte solar natural representam maiores

problemas que os testes com fonte artificial, principalmente com condições climáticas desfavoráveis.

Porém, os testes com fonte natural refletem as melhores condições de trabalho dos coletores (Zilles e

Corbella, 1987).

Segundo Govaer, 1988, que estudou simulações da radiação solar feitas com lâmpadas

incandescentes, quando a simulação eleva a temperatura da placa de absorção solar à mesma quantidade

de graus acima da temperatura ambiente que faria o sol, então ambos são funcionalmente equivalentes e

essa pode ser considerada uma técnica válida.

Artigos com relatórios experimentais da análise de várias configurações diferentes de coletores

solares e placas coletoras são referência para encontrar as melhores configurações. Os resultados

experimentais indicam que, para as placas coletoras, a configuração “ondulada” (do inglês: corrugated)

apresenta resultado mais positivo que as outras configurações (Close, 1963; Gupta e Garg, 1967; Karim e

Hawlader, 2004). Outras configurações sugerem resultados positivos com a inclusão de aletas (Close,

1963; Karim e Hawlader, 2004), a utilização de coletores com superfícies rugosas dependendo das

condições do escoamento (Gupta, Solanki e Saini, 1997), e a inclusão de barreiras de convecção natural

(Close, 1963).

3. FUNDAMENTAÇÃO DO PROBLEMA

O escoamento de ar no coletor é descrito como um problema de mecânica de fluidos acoplado

com outro de transferência de calor. As equações de máquinas de fluxo (Equações 1 e 2) são retirados do

livro de Henn, 2001, as de mecânica dos fluidos (Equações 3-6) são retiradas da apostila de vazão de

Schneider, 2014b, e a parte da transferência de calor, da Equação 7 em diante, tem origem do livro de

Incropera, 2011.

Na origem da tubulação, o ventilador, de rotação constante, força o escoamento através do

coletor, com certa vazão descrita pela Equação 1:

% = & (1)

Sendo uma máquina de fluxo, uma característica importante do ventilador é a sua altura de

elevação, dada pela Equação 2, onde os pontos 1 e 2 são a admissão e a descarga do fluido de trabalho:

10

= 201- 2

3 4& 0 &5 2 ( 0 ( 2 ℎ (2)

O ventilador pode ser especificado a partir de sua curva característica, dada por x % , cujo

exemplo está disposto na Figura 3.1.

Figura 3.1: Curva característica genérica de uma máquina de fluxo (Henn, 2001; Adaptada)

Como demonstra a figura, o ponto de operação da máquina vai ser dado pelos pontos onde a

vazão do sistema é igual à altura de elevação. Como a curva da máquina de fluxo é fixada pela máquina,

podemos apenas alterar as característica do sistema. Então, alterando os parâmetros do sistema e a perda

de carga, que compõem a altura de elevação, podemos controlar a vazão do ventilador.

Para calcular a vazão do ventilador após o coletor, um método utilizado é o cálculo a partir da

medição da pressão dinâmica com tubo de Pitot. Como a pressão estática na descarga é exatamente a

pressão atmosférica, deixando a referência do Pitot aberta à atmosfera e medindo a pressão de estagnação

na saída da tubulação, obtemos a leitura da pressão dinâmica no manômetro, que é a diferença de pressão

entre esses dois pontos. Podemos então utilizar a Equação 3 para determinar a velocidade do escoamento:

& = 62∆- (3)

Como a velocidade na tubulação não é uniforme, devemos medir vários pontos para se aproximar

da média real do perfil de velocidades. É utilizado então, uma média ponderada dos pontos de medição

para determinar a velocidade média, descrita pela Equação 4:

& = ∑ &9'9:1 (4)

A partir da velocidade média, a vazão volumétrica é dada pela Equação 1. Também podemos

também definir a vazão mássica pela Equação 5:

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= -% (5)

O número de Reynolds do escoamento, que define sua natureza laminar ou turbulenta, é descrito

na Equação 6:

= ;<= (6)

O problema térmico começa com uma análise do balanço de energia no volume de controle

definido pela placa do coletor. Para um problema em regime permanente, o problema se limita aos fluxos

de energia que entram (radiação das lâmpadas) e saem da placa (convecção do ar).

O fluxo de calor por radiação é representado por G e é considerado como constante para a este

estudo. A parcela de convecção é descrita pela Equação 7:

= ℎ4 0 5 (7)

Para a utilização da Equação 7, podem ser utilizadas correlações empíricas para calcular ℎ e

encontrar de forma teórica. Para a avaliação do trabalho, será analisado o fluxo de calor total

recebido pelo ar, utilizando temperaturas médias nas seções de entrada e de saída. Quando é possível

medir ou calcular essas temperaturas médias, a expressão para o fluxo de calor recebido pelo ar em todo o

percurso do coletor é dado pela Equação 8:

= 4 0 5 (8)

Para a Equação 8, é utilizada a hipótese de que o calor específico do ar não se altere com a

temperatura. Isso não apresenta exatidão total, mas fornece um resultado razoável.

Para o cálculo da incerteza associada à taxa de calor transferida para o ar, propagada das

incertezas de todas as medições feitas, é utilizado o método de Kline-McClintock, descrito na Equação 9:

= >? @A@"B !C 2⋯2 ? @A@"E !FC

GBH (9)

4. APRESENTAÇÃO DO PROJETO

4.1 Configuração do Coletor

O protótipo de coletor, como descrito anteriormente, será composto de uma caixa de madeira,

aberta nas laterais para permitir o escoamento do ar em um sentido. O tipo de madeira escolhido foi

cedrinho, pelo baixo custo e a recomendação do marceneiro que fez os cortes do coletor.

No interior da caixa, haverá uma placa coletora, para facilitar a absorção da radiação e a troca de

calor com o ar. Foi utilizada uma telha ondulada, de fibrocimento e da marca Brasilit, que desempenhará

a função da placa. Essa configuração foi escolhida porque as ondulações aumentam a área de troca de

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calor com o fluido, e obtiveram alto desempenho nos trabalhos pesquisados no Capítulo 2. Também

observa-se que a telha não impõe uma grande perda de carga no sistema, comparado a outras

configurações que criam muitos obstáculos ao escoamento.

A placa fica apoiada em pregos na lateral do coletor, numa altura de 0,09 m a partir da base do

coletor, e todo o seu comprimento foi pintado de tinta preta fosca, para melhorar a absorção da radiação

proveniente das lâmpadas.

Na utilização dos vidros, foi proposta a comparação da utilização de dois vidros no coletor com a

configuração com apenas um. A parte lateral entre os dois vidros foi fechada com fita dupla face, que

veda o escoamento naquela região. Isso cria uma pequena região de ar entre os vidros onde o ar fica

praticamente estagnado, e dificulta a perda de calor do coletor.

Os vidros, de tipo comum, ficam apoiados em dois degraus nas laterais de madeira do coletor, de

0,01 m de altura e largura cada. A comparação entre as diferentes configurações, com dois vidros e

apenas o superior, foi discutida no capítulo dos resultados, a partir dos dois ensaios feitos.

As medidas internas do coletor foram padronizadas no edital do trabalho, e estão descritas na

Tabela 4.1. As espessuras dos materiais foram decididas na sua compra, e estão dispostas na Tabela 4.2.

Tabela 4.1: Medidas internas do coletor (Schneider, 2014a)

Comprimento 1,00 m

Largura 0,30 m

Altura 0,15 m

Tabela 4.2: Espessuras dos materiais do coletor

Madeira (paredes e base) 0,03 m

Placa 0,004 m

Vidros 0,006 m

A partir das medidas apresentadas nessa tabela, foi feito o desenho do projeto, descrito no

subitem a seguir.

4.2 Desenho do Coletor

O desenho do protótipo do coletor foi feito utilizando a versão de estudante do software

AutoCAD 2014, e está disposta na Figura 4.1. As cotas estão na unidade de milímetros, e seguem

fielmente as medidas apresentadas anteriormente.

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Figura 4.1: Desenho do protótipo do coletor no AutoCAD

Pode ser visualizada aqui a idealização do modelo de coletor solar proposto, com a placa

ondulada para otimização de absorção da radiação e dois vidros espaçados. O detalhe dos vidros apoiados

em seus degraus pode ser melhor visualizado na Figura 4.2:

Figura 4.2: Detalhe dos degraus e vidros do protótipo do coletor no AutoCAD

Nesse desenho, nota-se a diferença no nível de cada degrau, que viabiliza a formação do espaço

entre os vidros. Também, a parte lateral entre os vidros não está representada com a fita que veda o

escoamento. Isso permite a visualização desse intervalo que é criado, que compõe a camada de ar

estagnado entre os vidros.

Para a configuração com apenas um vidro, foi retirado o vidro inferior do coletor, deixando o

restante exatamente nas mesmas configurações da Figura 4.2.

14

4.3 Bancada de Ensaios

A bancada onde serão feitos os experimentos do trabalho está montada no Laboratório de Ensaios

Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A

esquematização da bancada está disposta na Figura 4.3:

Figura 4.3: Bancada de ensaios, montada no LETA (Schneider, 2014a)

Como podemos perceber, a radiação é fornecida por um banco de lâmpadas incandescentes, que

simulam a radiação solar e vão fornecer uma quantidade fixa de radiação para todos os grupos. Isso

permite que seja feita uma comparação justa entre os resultados de cada grupo, bem como uma simulação

razoável das condições climáticas que o coletor é submetido.

O escoamento de ar é provocado por um ventilador com rotação constante, em duas

configurações diferentes (Rotação maior e menor). O ensaio foi feito apenas com a rotação menor.

Cada grupo realizou medições de temperatura, pressão com instrumentos próprios, calculando-se

a vazão a partir das tomadas de pressão. Também foram feitas as medições dessas mesmas grandezas com

os instrumentos do laboratório, que serviram de referência para as medições do grupo. O laboratório

disponibilizou um manômetro calibrado, um PT100 calibrado com curva característica, e multímetros

para auxílio nas medições de grandeza.

5. MONTAGEM DO PROTÓTIPO

O coletor começou a ser implementado a partir do corte da caixa exterior de madeira, feito com o

auxílio de um marceneiro. A partir de um pagamento, ele concebeu a parte exterior respeitando os moldes

apresentados pelo desenho e as medidas.

Ambos os vidros foram comprados, já cortados em seu comprimento de projeto na própria

fábrica. Para a configuração inicial com dois vidros, após serem posicionados nos seus respectivos

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degraus, eles foram vedados na parte lateral com fita dupla face. Para o arranjo do segundo ensaio, foi

retirado o vidro inferior e utilizado apenas o superior.

A placa coletora, composta pela telha, foi pintada com tinta preta em ambos os lados, para

maximizar a absorção de radiação. Foram fixados pregos nas laterais da caixa de madeira para suportar a

telha, na altura especificada no Capítulo 4.

A Figura 5.1 mostra a foto do coletor, já montado em sua configuração com um vidro apenas, no

LETA, antes de serem realizados os ensaios.

Figura 5.1: Protótipo do coletor montado no LETA

6. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

Para medição da temperatura do ar no coletor, foram comprados termorresistores NTC (Negative

Temperature Coefficient), que mediram a entrada e a saída do coletor. Eles foram inseridos através de

furos nas conexões de tubo que foram compradas para ligar a tubulação.

Os NTC’s foram calibrados através do experimento com uma garrafa térmica, e cada ponto de

resistência, que correspondia a uma determinada temperatura, foi anotada para montar as curvas

características dos medidores. No ensaio, as resistências dos NTC’s foram medidas com multímetros do

laboratório, e relacionadas com a temperatura através das curvas características do Anexo 1.

Também foi utilizado na medição de temperatura o PT100 do laboratório, que é outro

termorresistor, que apresenta característica linear e possuía os seguintes valores anotados da calibração:

16

= 108,38Ω!9&MNM = 21,92°

= 64,7Ω!9&MNM = 64,7°

)*++ = 2,658/Ω

A partir desses valores, pode ser feita uma interpolação linear para encontrar a temperatura em

qualquer resistência medida entre esses pontos. Também foram utilizados os medidores do laboratório

para auxílio dessa medição.

Para o cálculo da vazão, foi realizada uma medição de pressão com tubo de Pitot e o manômetro

do laboratório, na descarga do coletor. Como a pressão estática na descarga é exatamente a pressão

atmosférica, deixando a referência do Pitot aberta a atmosfera e medindo a pressão de estagnação na saída

da tubulação, obtemos a leitura da pressão dinâmica no manômetro, que é a diferença de pressão entre

esses dois pontos.

A partir dessa tomada de pressão, podemos obter a velocidade do escoamento no ponto medido a

partir da Equação 3. Medindo em vários pontos da tubulação, podemos calcular a velocidade média com a

Equação 4, junto com um dos métodos apresentados na Tabela 6.1, retirada da apostila de medição de

vazão da disciplina.

Tabela 6.1: Métodos de cálculo de vazão a partir de vários pontos de velocidade (Schneider, 2014b)

Na tabela, notam-se variados métodos e diferentes pesos para as medições, com diferentes

números de pontos. Para os cálculos do trabalho, foi utilizado o método das áreas iguais com 3 pontos,

medidos nas distâncias requeridas pelo método. A partir do cálculo da velocidade média, a vazão é

determinada pela Equação 1, sendo que a área da tubulação é dada por = X/4.

A incerteza de medição associada à taxa de calor total transferida do ar pode ser calculada pela

Equação 9, tendo como função base a Equação 10, sendo os pontos 1 e dois a medição na saída e na

entrada:

17

% = 62∆- ?11 0

22C (10)

A incerteza relativa associada à medição de pressão é de !∆ = 0,981YM40,1mmca5, e da

resistência foi considerado um erro de fundo de escala de 5% para o multímetro, !] = 0,05RΩ. Fazendo

cálculo das derivadas parciais da Equação 9, chegou-se a incerteza total de:

= ±51,75`

Todos os instrumentos de medição utilizados pelo grupo, bem como ambas as conexões, estão

dispostos na Figura 6.1.

Figura 6.1: Instrumentos de medição e conexões utilizadas no trabalho

Como mostra a figura, na conexão de entrada foi feito um furo para medir a temperatura com o

NTC, e no de saída as medições de pressão (tubo de Pitot) e temperatura necessitam de dois furos. A

medição recomendada, pelas normas, necessita da ausência de obstáculos antes e depois dos medidores,

para não ocorrer interferência, mas isso não é possível na tubulação disponibilizada no laboratório.

7. RESULTADOS E ANÁLISES

Foram realizados os ensaios com as duas configurações do coletor, a primeira com dois vidros e

depois com apenas um. A Tabela 7.1 mostra os resultados obtidos nas medições de temperatura feitas

com o primeiro arranjo.

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Tabela 7.1: Resultados das medições com dois vidros

Nota-se que ambos os sensores concordaram na leitura de temperatura na entrada e apontaram um

aumento razoável de temperatura na saída, embora a medição do valor desta temperatura foi

significativamente diferente entre eles para essa configuração.

Para a segunda configuração, com o vidro superior apenas, a Tabela 7.2 mostra os resultados

obtidos nas medições:

Tabela 7.2: Resultados das medições com o vidro superior apenas

Instrumento Resistência (kΩΩΩΩ) Temperatura (°°°°C)

Entrada Saída Entrada Saída

NTC 12,3 5,2 20,1 38,5

PT100 109,0 116,1 23,6 42,4

Percebe-se que novamente os sensores indicaram um aumento de temperatura e também

apresentaram valores próximos tanto na entrada como na saída. Nesta configuração observa-se um

aumento considerável na diferença de temperatura entre entrada e saída, indicando maior calor

transmitido para a corrente de ar quando comparado com a configuração anterior com duas camadas de

vidro.

No caso das medições de vazão, foram feitas medidas referentes a 3 pontos na saída da tubulação,

em comprimentos de 0,5, 0,7 e 0,9 vezes o diâmetro, medindo a partir da parede da tubulação. Como

foram feitas 3 medições diferentes para cada ponto, os valores referentes às medições de pressão de cada

ponto da tabela são os valores da média dessas 3 medições.

A Tabela 7.3 mostra os dados medidos no ensaio. Para determinar a vazão, foi utilizada a

Equação 4, com a massa específica do ar - = 1,124 kg/m3 retirada do software EES (Engineering

Equation Solver) para a temperatura de 40⁰C.

Tabela 7.3: Medições de pressão e vazões calculadas para ambas as configurações

Configuração Pressão: Pa (mmCA)

Velocidade média (m/s) Vazão (m3/s) 0,5*D 0,7*D 0,9*D

1 Vidro 0,75 0,716667 0,6 3,463209756 0,027199986

2 Vidros 0,883333 0,85 0,8 3,837849341 0,030142398

Instrumento Resistência (kΩΩΩΩ) Temperatura (°°°°C)

Entrada Saída Entrada Saída

NTC 12,6 7,1 19,6 28,1

PT100 107,6 113,3 19,8 35,0

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Percebe-se que, com 2 vidros a vazão foi maior, o que contrasta o resultado da elevação de

temperatura obtido com a utilização de apenas um vidro. A vazão medida ficou coerente com os

resultados da medição de vazão dos instrumentos do laboratório, que mediam aproximadamente

% = 0,032 kg/m3.

A taxa de calor total transferida para o ar para os ensaios, utilizando = 1007 J/kg retirado do

EES para uma temperatura de 40⁰C, foi de:

= 394,6W, comdoisvidros = 514,9W, comumvidro

8. CONCLUSÃO

Para as duas configurações de vidro testadas foram obtidos resultados satisfatórios para o

aquecimento do ar no coletor com placa ondulada. No primeiro ensaio, com dois vidros, obteve-se um

aumento de aproximadamente 15,2⁰C da entrada para a saída do coletor, e no segundo teste foi medida

uma variação de 18,8⁰C. Quanto a vazão, ambos os valores ficaram em torno de 0,03 m3/s, sendo a

configuração com dois vidros levemente superior.

O arranjo com um vidro se mostrou mais eficiente que o outro, obtendo uma taxa de transferência

de calor de 514,9 W, 23% superior à configuração com dois vidros. Essa melhora pode ser atribuída ao

aumento da parcela de radiação refletida pelos vidros, que aparenta ter sido bem maior do que a

diminuição das perdas por convecção no coletor. Isso determinou seu aquecimento inferior do ar, pois

uma taxa menor de radiação atingia a placa e tornou essa configuração menos eficiente.

Considerando que os custos envolvidos no trabalho foram de aproximadamente 150 reais, o

coletor estudado pode ser considerado uma boa alternativa para usos práticos. Ainda seriam necessários

estudos de campo para obtenção do valor real de aquecimento do coletor, visto que os resultados aqui

obtidos são de ensaios controlados. Uma opção de trabalhos futuros seria realizar testes com o coletor do

aquecimento a partir de radiação solar.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AYENSU, A. Dehydration of food crops using a solar dryer with convective heat flow. Solar Energy, v. 59, n. 4, p. 121-126, 1997. ISSN 0038-092X. CLOSE, D. Solar air heaters for low and moderate temperature applications. Solar Energy, v. 7, n. 3, p. 117-124, 1963. ISSN 0038-092X. FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. Introdução à mecânica dos fluidos. Livros Técnicos e Científicos, 2006. ISBN 8521614683. GOVAER, D. Indoor collector testing with an incandescent simulator. Solar energy, v. 40, n. 4, p. 363-368, 1988. ISSN 0038-092X. GUPTA, C.; GARG, H. Performance studies on solar air heaters. Solar Energy, v. 11, n. 1, p. 25-31, 1967. ISSN 0038-092X. GUPTA, D.; SOLANKI, S.; SAINI, J. Thermohydraulic performance of solar air heaters with roughened absorber plates. Solar Energy, v. 61, n. 1, p. 33-42, 1997. ISSN 0038-092X. HENN, E. Máquinas de fluxo. Santa Maria: UFSM, 2001. HOSSAIN, M.; BALA, B. Drying of hot chilli using solar tunnel drier. Solar Energy, v. 81, n. 1, p. 85-92, 2007. ISSN 0038-092X. HOTTEL, H.; WHILLIER, A. Evaluation of flat-plate solar collector performance. Trans. Conf. Use of Solar Energy, 1955. INCROPERA, F. P. Fundamentals of heat and mass transfer. John Wiley & Sons, 2011. ISBN 0470501979. KARIM, M.; HAWLADER, M. Development of solar air collectors for drying applications. Energy conversion and management, v. 45, n. 3, p. 329-344, 2004. ISSN 0196-8904. MENDES, A. D. S. Utilização de coletor solar parabólico na secagem da madeira: UFRGS 1985. SCHNEIDER, P. S. Edital de Trabalho Final da Disciplina Medições Térmicas (Edição 2014-1): UFRGS 2014a. ______. Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos: UFRGS 2014b. ZILLES, R.; CORBELLA, O. Comparação experimental de testes de coletores solares planos com simulador e com radiação solar: UFRGS 1987.

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ANEXO As curvas de calibração montadas para os NTC’s, a partir do experimento de variação de

temperatura com uma garrafa térmica estão descritos na Figura 9.1 e na Figura 9.2. As medições foram

mais refinadas perto dos pontos onde estavam as leituras feitas.

Figura 9.1: Curva de calibração do NTC da entrada

Figura 9.2: Curva de calibração do NTC da saída

As funções utilizadas para cálculo da temperatura foram:

= =

246,58

= =

200,29

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SUGESTÕES PARA A DISCILPINA

Para tornar a disciplina totalmente prática, poderiam ser feita uma avaliação de dois trabalhos

mais nota de relatórios/atividades das aulas de laboratório. No primeiro trabalho, poderiam ser

construídos instrumentos de medição para o segundo trabalho, onde seria feito um projeto similar ao que

já existe.

Também poderia ser dividida em apenas duas área a disciplina, uma teórica e outra prática, com

uma prova e um trabalho de avaliação. E poderia ser explorada uma avaliação nas aulas práticas de

laboratório para fechar uma terceira nota na média final.