UFGRS  ESCOLA  DE  ENGENHARIA  

                                   

Projeto  e  Caracterização  de  Acumulador  de  Calor  Sensível                                              

Octavio  Bortoncello  Porto  Alegre,  Dezembro  2014  

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Sumário

Lista de Símbolos 3

Resumo 4

Abstract 5

Introdução 6

Revisão Bibliográfica 7

Fundamentação Teórica 7

Métodos Experimentais 9

Resultados 14

Conclusão 15

Referncias Bibliográficas 16

 

 

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Lista de Símbolos

Ts Temperatura instantânea do ar na saída da seção de Ensaio [˚C].

Ti Temperatura inicial do Ar aquecido [˚C].

Tmin Temperatura mínima do Ar aquecido na saída da bancada [˚C].

∆Tmax Diferença máxima de temperatura (Ti-Tmin) [˚C].

Tf Temperatura fluido [˚C].

Ts Temperatura da superfície de troca de calor [˚C].

tf Tempo final, tempo de ensaio decorrido entre início e retorno de Ts à T37% .

T37% Temperatura Ti-()*0,37 [˚C].

Kvv Coeficiente de vazão/tensão para medidor de vazão [m3/s*mV].

Kntc1, Kntc2 e Kntc3 Coeficientes da equação de Steinhart-Hart.

𝑉 Vazão volumétrica através da tubulação [m3/s]

Rntc Resistencia instantânea do NTC [ohm]

Ρar massa específica do ar nas condições ambientes [kg/m3]

Kp coeficiente característico da placa de orifício.

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Resumo

O estudo apresentado propõem o projeto de um acumulador de calor sensível

construído de resina poliéster, para operar sob convecção forçada de ar na faixa de 60

a 70 [˚C] e com velocidade de escoamento de 3[m/s] .A instrumentação da bancada de

ensaios também faz parte do escopo do projeto, foram utilizados medidores de vazão

de turbina e termo resistores do tipo NTC. Os objetivos de projeto eram minimizar o

tempo de carga e a perda de carga, foi obtido um tempo de carga de 130 segundos,

enquanto nenhuma perda de carga perceptível com a atual instrumentação.

  5  

Abstract

The present study proposes the design of a sensible heat accumulator, made out of

polyester resin, to operate under forced convection in hot air in the range of 60 a 70

[˚C] and at a flow speed of 3m/s. The instrumentation of the test bench was part of the

scope of the project, turbine flow meters and NTC termisistors were used. The project

objectives were to minimize charging time and pressure drop, a charging time of 130

seconds was obtained, while no pressure drop was detected with current instruments.

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Introdução

O objetivo do presente estudo é o projeto e construção de um acumulador de calor

sensível feito de resina de poliéster para operar sob convecção forçada de ar na faixa

de 60 a 70 [˚C] e com velocidade de escoamento de 3[m/s]. A instrumentação de

baixo custo de uma bancada de testes para o levantamento do comportamento do

acumulador também está inclusa neste estudo. O acumulador está restrito a uma

massa de 1kg de resina é deve possuir a melhor relação de tempo de carregamento

versus perda de carga.

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Revisão Bibliográfica

Segundo Tohidi et al, 2013 [1] o uso de placas onduladas em trocadores de

calor pode aumentar o coeficiente de troca de calor por convecção forçada ao provar

um escoamento caótico.

Culham e Muzychka, 2001[2], propõem um método analítico de otimização de

trocadores de calor do tipo aletas planas, semelhante ao empregado neste estudo. Seus

métodos se baseiam no estudo pioneiro de Bejan,1996 a respeito da minimização da geração

de entropia, como paramento para avaliar a relação entre troca de calor e perda de carga.

Fundamentação Teórica:

A diferença de pressão entre dois pontos num fluido estático pode ser

determinada pela medida da diferença entre os dois pontos{Fox, et al, 1938][4]

∆𝑝 = 𝜌𝑔ℎ (1)

Onde 𝜌 é a densidade do fluido manométrico utilizado, g a aceleração gravitacional

média terrestre e h a altura da coluna de fluido. Uma placa de orifício em uma

tubulação também gera uma diferença de pressão entre os pontos a jusante e

montante, essa diferença pode ser relacionada a velocidade média do

escoamento[Schneider, 2000].

𝑉 = 𝐾!𝐴!!!!!"

(2)

O 𝑉 é a vazão volumétrica através da tubulação em [m3/s], Kp coeficiente

característico da placa de orifício, que engloba todos outros parâmetros da placa. A é a

área da seção tubulação. Portanto combinando (1) e (2) é possível relaciona a altura

da coluna manométrica com a vazão em um tubo.

Segundo Steinhart e Hart, 1968[5], o comportamento não linear de um termo

resistor NTC pode ser aproximado por uma curva de seguinte equação:

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!!=  K!"#! + ln 𝑅!"# ∗ K!"#! + ln  (𝑅!"#)!*K!"#! (4)

Rntc é a resistência do NTC no momento da medida, enquanto os coeficientes Kntc, são

os coeficientes da curva de Steinhart-Hart, obtidos através da calibração do NTC.

Incropera et al, relacionam a taxa de extração de calor por convecção a três principais

fatores:

𝑞 = 𝐴ℎ(𝑇𝑓 − 𝑇𝑠) (5)

A taxa de transferência de calor q [W] é função do coeficiente de transferência de

calor por convecção h e da diferença entre as temperaturas da superfície Ts do sólido e

do fluido Tf.

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Métodos Experimentais:

Bancada de Ensaios

A bancada de ensaios foi projetada e construída por integrantes do Laboratório de

Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos. O diagrama esquemático a seguir descreve o

sistema.

Figura 1. Bancada de ensaios do LETA. [Fonte: LETA]

Na seção de ensaio foi colocado o acumulador, as dimensões (300mm x

450mm x 155mm) da caixa, revestida internamente com material isolante, criaram

restrições ao projeto do acumulador. A bancada continha duas seções dedicadas a

instrumentação própria do usuário independente da instrumentação do LETA, onde

módulos de instrumentação podiam ser facilmente adicionados com o uso de luvas

convencionais de tubulação de PVC . A descrição dos módulos projetados e utilizados

segue abaixo.

Medidor de Vazão

O medidor de vazão construído baseia-se na utilização de uma turbina,

originalmente um cooler 12V DC para gabinetes de computador, conectado a um

resistor de 10 Kohm. A diferença de potencial entre os terminais do resistor é medida

através de um multímetro.

Ventilador

Seção  de  ENSAIO

TermômetroLETA

AQUECEDOR

1.00  m                                                                                          1.00  m                                                                                                      1.00  m                                                                                                                                                                  

Medidor  de  vazãoLETA

Seção  de  instrumentaçãoVazão  e  Temperatura

ALUNOS  

Seção  de  instrumentaçãoTemperaturaALUNOS  

LUVA

TermômetroManômetro

LETA

TermômetroManômetro

LETA

1.00  m                                                                                          1.00  m

(2)(1) (3)

(4)(5)(8) (6)(7)

  10  

Figura 2. Foto da seção transversal do medidor de vazão.

Para calibrar o medidor foi realizado um ensaio com um medidor de referencia

composto de uma placa de orifício e um manômetro calibrado.Os pontos de

calibração já convertidos para vazão volumétrica através da equação xx foram

plotados no gráfico abaixo.

Figura3. Reta de utilização .Pontos de calibração em cinza escuro, reta ajustada em

cinza.

0  

0,015  

0,03  

0,045  

1000   1200   1400   1600   1800   2000   2200   2400   2600   2800   3000  

Vazão    [m

3/s]  

Tensão  [mV]  

Pontos  de  calibração  medidor  de  vazão  e  curva  ajustada.  

  11  

Foi observado um comportamento quase linear no intervalo de operação de interesse,

portanto a relação entre vazão[m3/s] e diferença de potencial[mV] foi aproximada por

uma equação de reta com coeficiente Kvv 8,14683E-06 [m3/s*mV] .

Medidor de Temperatura

Para a obtenção de valores da temperatura de saída do ar da seção de ensaio

foi utilizado um termo resistor de coeficiente negativo ou popularmente NTC. Por

simples razoes de facilidade de obtenção, foi selecionado um termo resistor de

resistência nominal de 10 [KOhm].Este foi calibrado através da comparação com um

sensor PT100 previamente calibrado. Os pontos então foram utilizados para ajustar

uma curva Steinhart-Hart, cuja concordância com comportamento de NTC já foi

comprovada [Steinhart e Hart, 1968].O resultado do ajuste de curva pode ser visto no

gráfico abaixo.

Figura 4.Curva de utilização. Ajuste de curva Steinhart-Hart para utilização de NTC

10Kohm

Tabela1.Coeficientes da Equação de Steinhart-Hart.

Kntc1   Kntc2   Kntc3  0,011437857   0,004564992   0,00114343  

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Como esperado a equação representa adequadamente o comportamento do termo

resistor.

Acumulador de calor

Foram considerados três aspectos principais no projeto do acumulador de

calor: simplicidade geométrica, maximização da área de troca de calor e redução

ocupação da área transversal da seção de ensaios. O acumulador final está fotografado

logo abaixo.

Figura 5. Versão final do acumulador.Composto por 3 chapas de rugosidade

acentuada. 300mm x 155mm x 6mm(média).

A determinação da geometria foi baseado em uma análise qualitativa, e a

decisão por um formato relativamente simples foi tomada visando futuros estudos

com métodos analíticos de projeto. Foi considerado o uso de um bocal convergente

divergente para acelerar a velocidade do escoamento e aumentar o coeficiente de

transferência de calor por convecção mas este depende somente da raiz da velocidade

do escoamento, como apontam Culham e Muzychka, 2001, não justificando portanto o

crescimento quadrático da perda de carga, de acordo [Fox et al, 1938] e com base nos dados

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apresentados pelos mesmos autores, foi observado que entre geometrias simples: placas,

paralelepípedos e cilindros, as chapas finas foram as que apresentaram menor coeficiente de

arrasto. Segundo [Incropera et al] um baixo numero de Biot é desejável pois indica um

pequeno gradiente de temperatura, característica favorável a extração de calor. Apesar de não

ser possível calculá-lo sem o conhecimento valor do coeficiente de transferência de calor por

convecção, uma redução na espessura da chapa resulta num Biot menor.

Figura 6. Molde para fabricação das chapas de resina de poliéster.

Portanto foi arbitrado espessura de 1mm e largura de 300mm x 14mm, mas dificuldades em

obter esta espessura, causada pela lona plástica no fundo do molde, levaram ao redução do

numero de chapas e o aumento da espessura para 6mm.Para reduzir o percentual da área

superficial em contato com o elemento isolante que reveste a seção de ensaio, não foi

construída uma base em resina, optando se por unir as chapas verticalmente com espaçadores.

de papelão, material que não melhora a transferência de calor. O acumulador final possui uma

massa de 970g de resina poliéster.

]

  14  

Resultados:

O acumulador foi testado na bancada do LETA, com temperatura ambiente de

23.2 Celsius a uma pressão atmosférica de 101256 Pa. O gráfico abaixo apresenta o

comportamento da temperatura de saída do Ar obtidas no termo resistor na saída da

caixa de ensaio.

Figura 7.Gráfico da temperatura do ar na saída da bancada vs. Tempo de experimento.

Linha auxiliar indica T37%

A tabela 2 a seguir resume os principais resultados do ensaio.

Tabela 2. Principais resultados do ensaio experimental do acumulador no LETA.

Ti  [˚C]   Tmin[˚C]   ∆Tmax  [˚C]   T37%    [˚C]   Tf  [s]  60,8   58,0   2,8   59,7   130  

Os dados obtidos indicam um valor de temperatura mínima de 58,0(˚C) e um

valor inicial de 60,8(˚C) do ar na saída da bancada. Consequentemente o ∆Tmax obtido

foi de 2,8(˚C), obtido aproximadamente 25(s) após o inicio do ensaio. O tempo final

(tf) obtido foi de aproximadamente 130 segundos.

Os valores de vazão volumétrica obtidas antes e depois do ensaio variavam

ambos entorno de 0,026 (m3/s), como a vazão gerada pelo ventilador não era estável

não foi possível precisar a variação da mesma devido a presença do acumulador,

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portanto com a atual instrumentação a perda de carga detectada foi de zero, apesar de

evidentemente ter ocorrido.

Conclusão: O tempo de carregamento de 130 segundos está bom, mas pode ser significativamente reduzido com a elaboração de placas mais finas como inicialmente foi concebido o acumulador. A não detecção de uma significativa perda de carga comprova que a escolha por placas sob esse aspecto foi a correta, e também confirma que se mantido esse tipo de geometria o escoamento não deve ser muito afetado, mesmo com um maior numero de placas. Existem diversas melhoras evidentes que podem ser realizados no sistema de medição, como elaboração de um script de aquisição automática de dados, para reduzir o tempo de ensaios. Mas a opção mais interessante para aprofundar o estudo no comportamento desta espécie de acumulador de calor, seria a utilização o deste presente estudo como base experimental para a analise de modelos de troca de calor conjugado.                                                                

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       REFERÊNCIAS  BIBLIOGRÁFICAS:    [1] TOHIDIi et Al, 2013, “Chaotic advection induced heat transfer enhancement in a chevron-type plate heat exchanger”, Springer, Berlin [2] CULHAM e MUZYCHKA, 2001, “Optimization of Plate Fin Heat Sinks Using Entropy Generation Minimization”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 24, no. 2 [3] BEJAN, 1996, “Entropy Generation Minimization”, CRC Press, Boca Raton, FL [4]FOX et Al, 1938, “Introdução a Mecânica dos Fluidos” LTC [5] STEINHART e HART, 1968, “Calibration curves for thermistors” Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts, Volume 15, Issue 4, 497-503 [5]  INCROPERA  et  al,    2001,”Fundamentals  of  Heat  and  Mass  Transfer”  ,  Riley                                                          

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