protÓtipo de acumulador de calor de … · o acumulador é manufaturado de resina poliéster...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE CALOR DE RESINA POLIÉSTER
por
Augusto Majolo
Joaquim Francisco Bertuol Porto
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Dezembro de 2014
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Resumo:
Este trabalho apresenta a construção e instrumentação de um acumulador de calor
com a menor constante de tempo possível. O acumulador é manufaturado de resina
poliéster cristal com massa total de 1 kg. Ele foi instrumentado e ensaiado em uma
bancada de testes, onde pôde-se verificar a constante de tempo experimentalmente,
medindo-se o tempo necessário para que, após a colocação do acumulador na seção
de ensaio, a temperatura do escoamento retorne à dois terços de seu valor inicial. A
temperatura medida do escoamento foi de 63 ºC e a vazão mássica medida foi de
0,0361 kg/s. O tempo estimado para a constante de tempo foi de 7 minutos e 1
segundo.
Palavras-chave: acumulador, constante de tempo, resina poliéster.
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Abstract:
This paper shows the construction and instrumentation of a heat storage with the
minimum time constant. The heat storage is manufactured of crystal polyester resin,
and has weight of 1 kg. It is instrumented on a test desk, where is experimentally
verified the time constant by measuring the necessary time to the flow return to 2/3 of
it's original value after putting the heat storage into the test section. The temperature of
the flow is estimated to be 63 ºC and the mass flow to be 0,0361 kg/s. The value of the
time constant was estimated to be 7 minutes and 1 second.
Keywords: heat storage, time constant, polyester resin.
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Sumário
1. Introdução .......................................................................................................................... 4
2. Revisão bibliográfica ....................................................................................................... 4
3. Fundamentação Teórica ................................................................................................. 5
3.1. Tubo de Pitot ............................................................................................................... 5
3.2. Sensor NTC ................................................................................................................. 6
4. Metodologia ....................................................................................................................... 7
4.1. Bancada Experimental ............................................................................................... 7
4.2. Medidor de temperatura ............................................................................................ 8
4.3. Medidor de vazão ....................................................................................................... 9
4.4. Desenvolvimento do protótipo. ............................................................................... 10
4.5. Procedimento experimental. ................................................................................... 11
5. Resultados ....................................................................................................................... 12
6. Conclusões ...................................................................................................................... 13
7. Referências Bibliográficas ........................................................................................... 13
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1. Introdução
Este trabalho está inserido na disciplina de medições térmicas ministrada pelo Prof.
Paulo Smith Schneider e pela Profa. Letícia Jenisch Rodrigues, parte do currículo do
curso de engenharia mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. O
objetivo do trabalho conforme o Edital publicado pelos professores é construir um
acumulador de calor com a menor contante de tempo possível, isto significa que ele
deve reter ou dissipar energia térmica o mais rápido possivel.
Também é objetivo do trabalho instrumentar o ensaio experimental. Para tanto utilizou-
se um tubo de Pitot para a medição de vazão e um sensor do tipo NTC 10K para a
medição de temperatura.
Este trabalho unifica muitos conceitos da termodinamica e incentiva os alunos a
aprenderem mais sobre a instrumentação utilizada nos experimentos desta área da
engenharia mecânica.
2. Revisão bibliográfica
Steinhart e Hart, 1968, modelaram empiricamente o comportamento de termistores
tais quais o NTC com uma família de funções altamente satisfatória para um grande
intervalo de temperaturas.
Hasnain, 1998, empregou dutos com superfícies extendidas para otimizar a
transferência de calor de e para acumuladores de calor.
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3. Fundamentação Teórica
3.1. Transferencia de Calor Convectiva
A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos(líquidos e gases). O equacionamento da transferência de calor convectiva se dá da seguinte forma:
Onde: Q = taxa de transferência de calor; h = coeficiente de transferência de calor convectiva (dependente do fluido, e condições do escoamento e material do trocador); A = área de contato fluido/trocador; ∆T = diferença de temperatura entre o fluido e a superfície do trocador. A convecção forçada em relação a convecção natural eleva o coeficiente de transferência de calor em uma ordem de grandeza [Incropera, 2008], oque representa um aumento de mesma grandeza na transferência de calor. A transferência de calor aumenta linearmente com a área de contato fluido/trocador, e também com a diferença de temperatura entre estas.
3.2. Tubo de Pitot
Para a instrumentação da vazão na entrada da bancada experimental optou-se utilizar
um tubo de Pitot. Este instrumento de fácil construção permite uma leitura da diferença
da pressão de estagnação e estática conforme a Figura 1:
Figura 1 - Tubo de Pitot
A partir desta diferença calcula-se a velocidade do escoamento com as equações:
[1]
E portanto:
[2]
(1)
6
Com a velocidade e sabendo-se que a densidade do ar a 70C é de 1,2kg/m^3,
podemos calcular a vazão em massa com:
[3]
3.3. Sensor NTC
Para a medição de temperatura foi utilizado um sensor tipo NTC 10k, o qual foi
escolhido devido à sua facilidade de calibração e instalação e sua alta sensibilidade. O
sensor foi calibrado segundo um ajuste de curva Steinhart-Hart, conforme descrito na
seção 4.2.
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4. Metodologia
4.1. Bancada Experimental
O ar ambiente é admitido na bancada de forma forçada por um ventilador. Sua vazão
é medida por uma placa de orifício do LETA e pela instrumentação de vazão feita
pelos alunos. O ar segue e é aquecido para cerca de 70oC. A temperatura e pressão
estática do ar são lidas com instrumentos do LETA tanto a montante quanto a jusante
da seção de ensaio, no interior da qual o protótipo de acumulador de calor deve estar
inserido. Antes de ser descarregado para o ambiente, o ar sofre uma última medição
pela instrumentação de temperatura feita pelos alunos. A Figura 2 mostra esta
bancada.
Figura 2 - Esquema da bancada de ensaios (Fonte: Edital de trabalho da disciplina de medições térmicas. Edição 2014-2)
A tubulação da bancada é de PVC com diâmetro de 100 mm, incluindo as luvas de
conexão. A vazão do ar apresenta um valor de velocidade média de 3.0 m/s.
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4.2. Medidor de temperatura
Para a medição de temperatura, optou-se pela utilização de um sensor resistivo de
temperatura NTC. Este devia ser calibrado e adequadamente equipado a um trecho de
tubulação compatível com a tubulação da bancada experimental do laboratório.
O sensor NTC foi calibrado através de comparação com um sensor PT-100 referência,
cujas curvas de calibração e operação eram conhecidas. Os dados são apresentados
na Tabela 1.
Tabela 1 - Dados do PT-100 de referencia com o NTC calibrado
PT 100 [Ω] Temperatura [oC] NTC [Ω]
113.20 33.1452 6357.0
116.00 40.3284 3777.2
118.50 46.7419 3470.0
121.11 53.4377 2760.0
123.00 58.2863 2169.4
124.00 60.8517 1980.0
125.00 63.4171 1850.0
125.31 64.2124 1820.0
125.51 64.7255 1700.0
Os dados foram ajustados a uma curva de Steinhart-Hart de modo a gerar a curva de
operação do sensor NTC. A equação resultante para temperatura foi:
[4]
E seu gráfico está representado na Figura 3
Figura 3 - Gráfico de calibração do sensor NTC
Onde R representa resistência térmica [Ω] e T representa temperatura [oC].
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Inseriu-se o sensor NTC em um trecho de duto de PVC medindo 15 mm de
comprimento e 10 mm de diâmetro, extendendo-se os terminais do sensor através de
dois pequenos furos na parede do duto e vedando-se estes com cola époxi, conforme
visto na Figura 4.
Figura 4 - Montagem do sensor NTC
4.3. Medidor de vazão
Quanto à medição de vazão, optou-se pela utilização de um tubo de Pitot para medir a
pressão dinâmica e, através das equações [2] e [3], determinar a vazão indiretamente.
O tubo de Pitot foi construído com tubos de PVC de 15 mm de diâmetro com redução
para 5 mm de diâmetro. O tubo foi inserido em um trecho de duto de PVC medindo 20
mm de comprimento e 10 mm de diâmetro e as vedações foram feitas com cola epóxi
conforme visto na Figura 5.
Figura 5 - Tubo de Pitot construído
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4.4. Desenvolvimento do protótipo.
A geometria do acumulador construído foi a de uma aleta retangular única, com uma
base, formando um T. Esta geometria foi escolhida pensando-se em um dissipador de
calor do tipo aletado pois é uma geometria conhecidamente utilizada em dissipadores
e por sua facilidade de construção. Como para este trabalho havia a restrição do
protótipo ter massa de 1kg de resina poliéster, calculou-se o volume de resina
disponível em 1kg que era de 921cm^3 e dimensionou-se a aleta conforme na Figura
6
Figura 6 - Geometria proposta
Ela possui portanto volume de 1080 cm³, sendo assim maior que o volume de resina,
esta diferença se dá pois a resina aumenta um pouco seu volume no processo de
cura. O resultado final pode ser visto na Figura 7.
Figura 7 - Protótipo construído
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4.5. Procedimento experimental.
Com a instrumentação devidamente posicionada e a bancada em estado de equilíbrio
térmico, acomodou-ser o acumulador na seção de ensaio durante um intervalo de 5
segundos. Leu-se a diferença pressão indicada pelo tubo Pitot através de um
manômetro de coluna, que indicou uma diferença de pressão correspondente à 0.9
mm de água, e determinou-se a vazão correspondente. Cronometrou-se o tempo
transcorrido desde a abertura da seção de ensaio até que o sistema recuperasse 63%
da variação de temperatura perdida quando da inserção do acumulador, observando
as leituras de resistência do sensor NTC pertinentes através de um multímetro
disponível no LETA.
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5. Resultados
Os resultados das medições podem ser vistos nas tabelas 2 e 3 e contextualizados
pela figura 8.
No cálculo da vazão mássica, foram usadas as equações 2 e 3, considerando
kg/m³, kg/m³, m/s² e m².
Tabela 2 – Determinação da vazão mássica a partir da medição da pressão dinâmica
mmH20 V [m/s] m [kg/s]
0,9 3,834 0,0361
Tabela 3 – Determinação da temperatura e resistência associadas à obtenção de tCD
ROP (lido) [Ω] 1844,3
TOP (equação 4 para ROP) [oC] 63,191264
RMAX (lido) [Ω] 2021,1
TMIN (equação 4 para RMAX) [oC] 60,632371
∆T (=TOP-TMIN) [oC] 2,558893
TtCD (=TMIN + 0,63 ∆T) [oC] 62,244474
RtCD (calculada para TtCD) [Ω] 1908,3
tCD 422s
Figura 8 – Comportamento da temperatura na seção medida
t0
tCD
TOP TtCD
TMIN
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6. Conclusões
O tempo tCD de resposta apresentado pelo acumulador desenvolvido foi de 7m 01s. A
medição de temperatura é coerente, uma vez que percebe TOP como 63,2 oC, um valor
um pouco inferior aos 70 graus impostos alguns metros antes pelo aquecedor.
A vazão lida foi de 0,0361 kg/s. Uma vez que corresponde a uma velocidade de 3,834 m/s, mostra-se uma estimativa coerente, já que o ar é forçado pelo ventilador a 3 m/s. Como sugestão para otimização do protótipo, pode-se denotar a amplificação da
relação Área/Volume com o material disponível, aumentando o número de aletas e
fazendo um estudo quanto à altura ideal das aletas.
7. Referências Bibliográficas
INCROPERA, F. P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6a ed., 2008
SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos. Departamento
de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html.
FOX, R. W., PRITCHARD, P. J., McDONALD, A.T., Indrodução à mecânica dos
fluidos. 7 ed. 2008.