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MARCO ISMAEL WILCHEN BECKER

NAELZO MACHADO

CONSTRUÇÃO E ENSAIO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO PARA

AQUECIMENTO DE AR

Monografia apresentada ao Departa-

mento de Engenharia Mecânica da Es-

cola de Engenharia da Universidade

Federal do Rio Grande do Sul, como

parte dos requisitos para obtenção do

diploma de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Paulo Smith Schneider

Porto Alegre

2014

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente gostaríamos de agradecer ao Nelzo Machado, pai de Naelzo Machado,

um dos autores deste trabalho, por nos ajudar no processo de fabricação do coletor solar, dei-

xando a nossa disposição sua oficina de garagem e por todo auxílio de mão-de-obra prestado

para a construção do coletor.

Ao técnico do Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos, João Batista da Rosa,

e ao mestrando Tiago Haubert Andriotty, por toda ajuda oferecida durante os ensaios, ofere-

cendo todos os recursos para nos facilitar o procedimento de medição.

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RESUMO

O presente trabalho tem a finalidade de planejar, construir e ensaiar um coletor solar

térmico a ar, construído a partir de chapas de aço galvanizado pintadas de preto, dispostas em

forma de V para uma maior absorção da radiação, dentro de uma caixa feita com MDF fecha-

da por um vidro de 4mm de espessura. O coletor solar possui 1m de comprimento, 30cm de

largura e 15cm de altura, por onde passa uma corrente de ar insuflada por um ventilador cen-

trífugo. O coletor é ensaiado no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA)

da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) medindo, através de sensores de

temperatura PT100, uma temperatura de entrada do coletor igual a 25ºC e uma temperatura de

saída igual a 41ºC, obtendo uma diferença de 16ºC. A pressão de estagnação é medida na des-

carga do coletor através do Método de Newton, e com o auxílio da equação de Bernoulli mo-

dificada foi possível calcular a velocidade do escoamento com a massa específica do ar inter-

polada no valor de temperatura média entre a entrada e saída do coletor. A vazão mássica na

descarga e a troca de calor encontrados são 0,0414kg/s e 668W, respectivamente.

PALAVRAS-CHAVE: Coletor solar, Secador solar, Coletor com placa em V.

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ABSTRACT

This report aims to plan, build and test a solar thermal collector by air, built from galva-

nized steel plates painted black, arranged in a V for greater absorption of radiation, inside a

box of MDF closed by a glass of 4mm of thickness. The solar collector has 1m long, 30cm

wide and 15cm height, through which pass a stream of inflated air by a centrifugal fan. The

solar collector is tested in the Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA) of

Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) measuring, by means of temperature

sensors PT100, an inlet temperature collector equal to 25ºC and an outlet temperature equal to

41ºC, obtaining a difference of 16ºC. The stagnation pressure is measured at the exhaust col-

lector with the Newton method, and with the modified Bernoulli equation is possible calculate

the speed of the flow with a specific mass of air in the interpolated value of average tempera-

ture between the inlet and outlet of the collector. The mass flow in the exhaust and heat ex-

change are found to 0.0415kg/s and 668W, respectively.

KEYWORDS: Solar collector, Solar dryer, V-Corrugated collector.

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SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS II

RESUMO III

ABSTRACT IV

1. INTRODUÇÃO 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2

3. ENSAIO DO COLETOR 3

3.1 Caraterísticas Construtivas 3

3.2 Materiais Utilizados 5

4. FUNDAMENTOS 6

4.1 Energia Solar 6

4.2 Coletor Solar Plano 6

5. RESULTADOS 9

6. CONCLUSÃO 11

REFERÊNCIAS 12

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12

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1. INTRODUÇÃO

A energia solar tem grande potencial para a aplicação em baixas temperaturas, princi-

palmente quando se trata da secagem de alimentos na agricultura. O coletor solar dispensa o

uso de outros trocadores de calor, reduzindo os custos com energia na produção.

Os coletores são equipamentos utilizados para a coleta de radiação emitida pelo sol. Um

modelo simples pode ser construído por uma placa plana que capta a energia do sol por onde

o fluido é bombeado e aquecido. O protótipo a ser desenvolvido tem como finalidade aquecer

o ar tomado do ambiente através de placas de coleção dispostas em forma de V, para aumen-

tar a área de coleção de radiação em relação a placa plana. A radiação atravessa o vidro, inci-

de nas placas coletoras e passa a aquecer o ar bombeado no interior do coletor, obtendo uma

diferença de temperatura entre a entrada e saída, bem como uma vazão mássica na descarga.

A partir desses valores também foi possível calcular a taxa de transferência de calor para o ar

durante o processo de aquecimento. A motivação para o trabalho surgiu a partir da montagem

de um secador de frutas em operação na fazenda de educação ambiental Quinta da Estância.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O conteúdo apresentado neste capítulo é um resumo de alguns trabalhos relevantes que

já foram apresentados na área de instrumentação, visando medições em coletor solar plano.

Os conhecimentos apresentados são usados para escolha da geometria de placa coletora a fim

de obter um desempenho satisfatório.

Gama et. al. (1986) explicam que uma placa coletora de um coletor solar com cavidades

em forma de V possui um área de absorção de radiação maior comparada a uma placa plana,

que não possui cavidades. Comentam também que devido ao efeito da cavidade, a maior parte

do pequeno comprimento é absorvido e apenas uma pequena quantidade de energia de radia-

ção de grande comprimento de onda é emitido. A energia absorvida aumenta a temperatura da

absorção da placa e troca calor com o ar bombeado por convecção. Por esse artigo ser de cará-

ter não experimental, as conclusões não foram úteis para a formulação do presente trabalho,

mas o conteúdo apresentado anteriormente torna-se relevante.

Karim e Hawlader (2004) ensaiaram três coletores solares com placas coletoras de geo-

metrias diferentes. Um com uma placa plana posicionada a uma certa altura entre a base e o

vidro, outro semelhante a esse, mas com alguns obstáculos para a corrente de ar na parte infe-

rior da placa, e outro com placas coletoras na forma de V, para uma maior área de coleção da

radiação. O gráfico da Figura 2.1 mostra a eficiência dos três coletores plotadas juntas para

fins de comparação.

Figura 2.1 – Gráfico da eficiência pela vazão do coletor solar com placa plana (flat plate),

placa plana com obstáculos na parte inferior (finned) e placa coletora na forma de V (V cor-

rugated).

Pela análise do gráfico da Figura 2.1, focando nas curvas obtidas experimentalmente

(exp), nota-se uma eficiência maior no coletor solar com placa com cavidades em forma de V

comparado aos demais coletores para uma mesma vazão.

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3. ENSAIO DO COLETOR

Para a realização do experimento foi montada uma bancada experimental no Laborató-

rio de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos (LETA), na Universidade Federal do Rio Grande

do Sul, usada para ensaiar o coletor solar plano a ar, tema deste trabalho. Abaixo, na Figura

3.1, é mostrado o esquema de montagem da bancada de ensaios.

Figura 3.1 – Esquema de montagem da bancada de ensaios.

O ar insuflado pelo ventilador centrífugo passa por um medidor de vazão já posicionado

na canalização do laboratório e chega na admissão, onde pode ser medida a temperatura de

entrada do ar no coletor solar. Quando o ar entra no coletor solar ele é aquecido por um banco

de lâmpadas posicionadas acima do coletor, as quais emitirão radiação que passará pelo vidro

e atingirá a placa coletora, onde parte será absorvida e parte refletida, provocando o aqueci-

mento do ar. Por fim o ar passa pela descarga do coletor solar onde é possível medir a tempe-

ratura e a vazão na saída.

A Tabela 3.1 a seguir mostra as dimensões internas para construção do protótipo para

que possa ser conectado adequadamente à bancada experimental.

Tabela 3.1 – Dimensões internas obrigatórias para a construção do protótipo. Comprimento 1,00m

Largura 0,30m

Altura 0,15m

3.1 Caraterísticas Construtivas

Partindo da ideia do coletor solar plano com placa coletora em formato de V, o protóti-

po a ser desenvolvido é constituído basicamente por:

- Caixa externa: em MDF (Medium Density Fiberboard), que servirá de estrutura

para o restante do coletor.

- Isolamento térmico: constituído placas de poliestireno (isopor) de 15mm espessu-

ra, devido ao seu baixo custo e baixa condutividade térmica, revestindo internamente o MDF

para evitar perdas de calor para o ambiente. Segundo Incropera (2012), a condutividade tér-

mica do poliestireno extrudado é de 0,027 𝑊/𝑚𝐾

- Chapa fina de fibra de madeira Eucatex: chapa lisa 4mm colocada após o isolante.

O lado rugoso ficará colado ao isopor, e o lado liso ajudará no escoamento do ar diminuindo

as perdas de carga.

- Chapa galvanizada: chapa metálica galvanizada 0,5mm em formato de V e pinta-

da de preto fosco para aumentar a absorção da radiação.

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- Cobertura transparente: vidro plano de 4mm de espessura.

Segundo Karim e Hawlader (2004), quando comparados três coletores solar com dife-

rentes geometrias de placas coletoras, nota-se que a placa coletora em forma de V possui uma

eficiência superior as demais, sendo por essa razão implementada essa geometria no coletor

solar deste trabalho. As figuras abaixo foram desenhadas no software Solidworks de modo a

ilustrar o coletor solar construído.

Figura 2.1 – Desenho ilustrativo do coletor solar plano.

Figura 2.2 – Desenho ilustrativo do coletor solar plano indicando as camadas dos materiais

utilizados na parede do coletor.

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Abaixo é mostrada uma foto do coletor solar na bancada de ensaio do laboratório LE-

TA.

Figura 3.2 – Foto do coletor solar a ar (LETA).

Essa foto tirada no laboratório LETA ilustra o esquema apresentado na Figura 3.1 com

sua correspondente descrição.

3.2 Materiais Utilizados

Para a instrumentação do experimento foram utilizados os seguintes equipamentos:

- Um ventilador centrífugo disponibilizado pelo LETA.

- Dois sensores de temperatura Thermomax PT100 3 fios, haste inox (316), diâmetro

6 x 25mm (Útil), cabo 1.000mm silicone com mola de acabamento 70mm, com fai-

xa de operação de 200ºC.

- Um multímetro disponibilizado pelo LETA.

- Um tubo de Pitot fabricado através de um tubo de alumínio para servir de medidor

de pressão/vazão.

- Um manômetro disponibilizado pelo LETA.

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4. FUNDAMENTOS

4.1 Energia Solar

Atualmente cada vez mais tem sido usado a transformação dos recursos naturais para a

produção de energia. Além da energia eólica (vento), a energia solar tem sido muito usada por

ser uma energia limpa, onde sua captação, transformação e utilização causam pouco ou ne-

nhum impacto ao meio ambiente.

O potencial de energia solar de uma determinada região é determinado, principalmente,

em função de sua localização no globo terrestre. As regiões localizadas entre as linhas tropi-

cais são consideradas de alto potencial de energia solar, as regiões localizadas entre os trópi-

cos e os círculos polares são consideradas como de médio potencial de energia solar e os po-

los de baixo potencial energético. O Brasil tem alto potencial energético, já que grande parte

do seu território está localizado na região entre as linhas dos trópicos, portanto, pode-se con-

siderar que, em qualquer localidade do nosso país é possível utilizar diversos sistemas de

aproveitamento de energia solar (CAVALCANTE e LOPES, 2001).

4.2 Coletor Solar Plano

O coletor solar plano é uma das formas mais simples de captação de energia, pois con-

vertem a energia solar em térmica com baixo custo e de forma conveniente. O processo em-

pregado é o do corpo negro absorvedor. Assim como as cores claras refletem a radiação, as

cores escurar absorvem, e essa absorção é tanto maior quanto mais próximas estiverem da cor

negra. É por esse motivo que as placas absorvedoras dos captadores planos são pintadas de

preto fosco. A propriedade da superfície negra, aliada à propriedade que o vidro tem de recu-

perar grande parte da radiação emitida pela superfície negra quando a lâmina de vidro está

colocada acima da placa absorvedora, é aproveitada para a conversão de energia radiante em

energia térmica no coletor. (NETTO, 2006).

O ensaio é realizado medindo-se a temperatura do ar na admissão 𝑇𝑒 , em º𝐶, e na des-

carga 𝑇𝑠, em º𝐶, através de dois sensores de temperatura PT100 ligados a um multímetro para

obter o valor da resistência elétrica. A partir desse valor de resistência elétrica é possível cal-

cular a temperatura T, em º𝐶, pela seguinte equação:

0,00392 =𝑅−100

100𝑇 (4.1)

onde R é a resistência elétrica, em Ω.

Para a medição de vazão foi utilizado um tubo de Pitot construído a partir de um tubo de

alumínio dobrado em 90º. O tubo de Pitot foi posicionado na descarga em diferentes posições

com o auxílio do método de cotas de Newton, possibilitando a ponderação dos valores obti-

dos. Para a medição da vazão foram utilizados quatro pontos em duto circular, como mostra a

Tabela 4.1.

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Tabela 4.1 – Disposição dos pontos de medição por amostragem de acordo com 4 métodos de

medição (x coordenada adimensional para tubos de seção retangular, r coordenada adimensi-

onal para tubos de seção circular, w fator de peso) [Fonte: DELMEÉ, 1983].

Nota: (a) Todas as medições têm peso igual.

O valor de r na Tabela 4.1 é a distância do centro da canalização considerando diâmetro

unitário. Para medição foi feita uma varredura de quatro pontos na horizontal e quatro pontos

na vertical, obtendo valores de pressão de estagnação e calculando uma média entre eles. Com

a pressão de estagnação medida é possível calcular a velocidade do escoamento em cada pon-

to através da equação de Bernoulli modificada.

𝑉 = √2(𝑝0−𝑝)

𝜌 (4.2)

onde 𝑉 é a velocidade, em m/s, 𝑝0 e 𝑝 são as pressões de estagnação e estática, respecti-

vamente, em Pa, e 𝜌 é a massa específica (tirada de uma tabela termodinâmica na temperatura

média entre a entrada e saída do coletor), em 𝑘𝑔/𝑚3.

Com as velocidades calculadas em cada ponto é possível calcular a velocidade média,

em 𝑚/𝑠, através da seguinte equação:

𝑉𝑚 = ∑ 𝑉𝑖𝑤𝑖𝑛1 (4.3)

onde 𝑉𝑖 são as velocidades nos pontos de medição, em 𝑚/𝑠, e 𝑤𝑖 são os fatores de peso.

Com a velocidade média calculada é possível calcular a vazão volumétrica �̇�, em 𝑚3/𝑠,

pela seguinte equação:

�̇� = 𝑉𝑚𝜋𝑑2

4 (4.4)

onde 𝑉𝑚 é a velocidade média, em 𝑚/𝑠, e d é o diâmetro da canalização, em 𝑚.

A partir dos valores medidos de temperatura, é possível calcular a diferença de tempera-

tura ∆𝑇, em º𝐶, entre a entrada e saída do coletor, dada pela seguinte expressão:

∆𝑇 = 𝑇𝑠 − 𝑇𝑒 (4.5)

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onde 𝑇𝑠 é a temperatura de saída e 𝑇𝑒 é a temperatura de entrada, ambas em º𝐶.

Com a vazão volumétrica medida, calcula-se a vazão mássica, em 𝑘𝑔/𝑠, pela equação

abaixo:

�̇� = 𝜌�̇� (4.6)

onde 𝜌 é a massa específica do fluido (ar), em 𝑘𝑔/𝑚3, que é função da pressão e da

temperatura, tirado da tabela termodinâmica, e �̇� é a vazão volumétrica em 𝑚3/𝑠.

Por fim, pode-se calcular a taxa de calor transferido para o ar 𝑞𝑎𝑟, em W, pela seguinte

equação:

𝑞𝑎𝑟 = �̇�𝑐𝑝(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒) (4.7)

onde �̇� é a vazão mássica, em 𝑘𝑔/𝑠 e 𝑐𝑝 é o calor específico do ar a pressão constante,

em 𝐽/𝑘𝑔𝐾.

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5. RESULTADOS

Através dos procedimentos de medição descritos anteriormente foi possível realizar a

coleta de dados necessárias para avaliar o desempenho do coletor solar ensaiado do laborató-

rio. Com os sensores de temperatura PT100 foi possível obter os valores de resistência elétri-

ca. Aplicando esses valores na Equação (4.1) calcula-se a temperatura de entrada (𝑇𝑒) e saída

(𝑇𝑠) do coletor solar, apresentados na Tabela 5.1.

Tabela 5.1 – Valores de resistência elétrica e temperatura medida na entrada e saída do coletor

solar.

Temperatura

(º𝐶) Resistência

(Ω)

Entrada 25 109,85

Saída 41 116,12

O cálculo da diferença de temperatura entre a entrada e saída do coletor solar é calcula-

do através da Equação (4.5).

∆𝑇 = 𝑇𝑠 − 𝑇𝑒 = 41 − 25 = 16º𝐶

Com o tubo de Pitot foi possível medir a pressão de estagnação na saída do coletor e

através da Equação (4.2) foi possível calcular as velocidades do escoamento, considerando a

pressão estática manométrica igual a zero. A Tabela 5.2 apresenta os valores obtidos da pres-

são de estagnação medidos pelo Pitot na descarga através do método de Newton, juntamente

com os valores de velocidades calculados.

Tabela 5.2 – Valores da pressão de estagnação média e velocidade nos pontos medidos.

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

0 0,125 1,2 12,19 4,60

0,5774 0,375 1,2 12,19 4,60

0,8165 0,375 1,125 11,43 4,45

1 0,125 0,875 8,89 3,93

A velocidade média do escoamento 𝑉𝑚, em 𝑚/𝑠, é dada pela Equação (4.3).

𝑉𝑚 = ∑ 𝑉𝑖𝑤𝑖𝑛1 = 4,60.0,125 + 4,60.0,375 + 4,45.0,375 + 3,93.0,125 = 4,46𝑚/𝑠

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

calcular a vazão volumétrica �̇�, em 𝑚3/𝑠, pela Equação (4.4).

�̇� = 𝑉𝜋𝑑2

4= 4,46

𝜋0,101282

4= 0,0360𝑚3/𝑠

Pela Equação (4.6) pode-se calcular a vazão mássica �̇� , em 𝑘𝑔/𝑠.

�̇� = 𝜌�̇� = 1,1532.0,0360 = 0,0414𝑘𝑔/𝑠

Com os valores das temperaturas de entrada e saída do coletor solar medidas, com a

vazão mássica calculada e buscando o valor tabelado do calor específico para o ar

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(𝑐𝑝=1007 𝐽/𝑘𝑔𝐾), é possível calcular a taxa de calor transferido para o ar através da Equação

(4.7).

𝑞𝑎𝑟 = �̇�𝑐𝑝(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒) = 0,0415.1007(41 − 25) = 668𝑊

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6. CONCLUSÃO

Após a realização do ensaio conclui-se que, com a área de contato ampliada com as pla-

cas dispostas em formato de V, obteve-se uma diferença de temperatura na corrente forçada

de ar entre a entrada e saída do coletor, medidas com sensores de temperatura PT100, de

aproximadamente 16º𝐶. Esse ganho de temperatura do ar é devido à radiação, que ao atraves-

sar o vidro do coletor, incide na placa coletora preta. A parcela da radiação que é refletida, ao

incidir no vidro novamente, não consegue atravessá-lo, provocando assim o chamado efeito

estufa. Na descarga do coletor, medindo a pressão manométrica com o tubo de Pitot, pode-se

calcular a vazão mássica admitindo o valor da massa específica do ar na temperatura média

entre a entrada e saída do coletor. O valor da vazão mássica encontrado na descarga do coletor

foi de 0,0414𝑘𝑔/𝑠, a qual serviu para calcular a taxa de calor transferido durante o processo

que ficou sendo de 668𝑊. Por fim, alguns comentários são pertinentes com relação ao experimento realizado. Ob-

servou-se, durante a medição de temperatura com sensores PT100, que houve um gradiente de

temperatura ao longo da seção transversal do duto na saída do coletor, sendo possível encon-

trar valores de temperatura mais elevados no centro do duto do que na periferia. Este fenôme-

no pode ser devido a perda de calor por condução nas paredes do duto, com posterior troca de

calor por convecção com o ar externo. Também foi possível perceber que, ao usar isopor co-

mo isolante térmico na construção de coletores solares, deve-se protege-lo de forma que o

excesso de temperatura do ar não provoque sua degradação.

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REFERÊNCIAS

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çosa: CPT, 2001.

DELMÉE, G.J., Manual de Medição de Vazão, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1983.

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lica do Rio de Janeiro, Brazil, 1986.

INCROPERA, F.P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 6ª Edição, LTC,

2012.

KARIM, M.A/M.N.A HAWLADER, Performance investigation of flat plate, v-corrugated

and finned air collectors, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufac-

turing Engineering, University of Melbourne, Vic. 3010, Australia/Department of Mechanical

and Manufacturing Engineering, National University of Singapore, 10 Kent Ridge Crescent,

Singapore 119260, Singapore, 2004.

NETTO, C. Q. Análise de um Pequeno Sistema de Aquecimento Solar Instalado no Inte-

rior do Estado de Minas Gerais. Monografia (Pós- Graduação Lato Sensu). Fontes Alterna-

tivas de Energia, Departamento de Engenharia Universidade Federal de Lavras, Labras, 2006.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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MEDEIROS, MAURÍCIO., Simulação e Avaliação de um Sistema de Aquecimento Solar

de Água Utilizando Balanço Energético, 2012.

SMITH SCHNEIDER, P., 2007, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da disciplina de

Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre

(www.geste.mecanica.ufrgs.br).