UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENOMENOS DE TRANSPORTE

PROTÓTIPO DE ACUMULADOR DE CALOR DE BAIXA CONSTAN-

TE DE TEMPO

Por

Lenon Centenaro

Felipe Gusberti

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Dezembro 2014

ii

Centenaro, L. , Gusberti, F. W. Protótipo de acumulador de calor de baixa constante de

tempo. 2014. 9 páginas. Trabalho final da disciplina Medições Térmicas do curso de Enge-

nharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Gran-

de do Sul, Porto Alegre, 2014.

RESUMO

Este experimento consiste no desenvolvimento e fabricação de um protótipo de acumulador

de calor de resina poliéster com o intuito de estocar energia térmica oriunda de uma corrente

de ar quente em uma bancada de ensaio. Tendo como premissa que nada além do acumulador

de calor possa ser alterado na bancada, a proposta aqui é acoplar um acumulador a uma caixa

com dimensões pré-determinadas que interfira positivamente na acumulação de energia e obs-

trua o mínimo possível o escoamento de ar, tendo como resultado um menor tempo de respos-

ta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica. A metodologia utilizada é

baseada na maior área de troca possível entre o acumulador e a corrente de ar, respeitando as

limitações impostas pelo material, sendo assim o modelo confeccionado é baseado em uma

colmeia, aumentando significativamente a área de troca de calor em comparação com um só-

lido. O acumulador foi testado no LETA-UFRGS (Laboratório de Estudos Térmicos e Aero-

dinâmicos) e submetido às condições propostas. Foram utilizados medidores de vazão e tem-

peratura, devidamente calibrados com base em sensores de referência, na medição das quanti-

dades físicas envolvidas. A área obtida com a forma escolhida foi de aproximadamente

0.308 m² contra aproximadamente 0.015 m² do acumulador de referência. No teste realizado,

notou-se uma queda de temperatura de aproximadamente 8ºC e o tempo de de aproximada-

mente 8 minutos, comparado com o protótipo de referência com 15 minutos de tempo de en-

saio resposta, o perfil estudado mostrou-se muito eficiente por simples confecção, baixo custo

e melhoria significativa no resultado.

PALAVRAS-CHAVE: Trocador, Calor, Acumulador, Sensível, Constante, Tempo, Tempe-

ratura, Resina, Poliéster.

iii

Centenaro, L. , Gusberti, F. W. Protótipo de acumulador de calor de baixa constante de

tempo . 2014. 9 pages. Trabalho final da disciplina Medições Térmicas do curso de Engenha-

ria Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande

do Sul, Porto Alegre, 2014.

ABSTRACT

This experiment consists in the development and manufacture of a polyester heat accumulator

prototype in order to store thermal energy available from a hot forced air flow in a test bench.

Assuming that nothing but the heat accumulator can be changed in the experiment, it has been

proposed to make the heat accumulator in a way that it can fit in the test bench and improve

the time constant in relation of a pre-determined heat accumulator (cylindrical shape) in a

cylindrical shape and also interfere as least as possible in the air flow. The methodology used

is based on the larger possible contact area with the flow, respecting the material manufacture

constraints. Following that, a honey comb based shape was constructed, improving signifi-

cantly the heat exchange area, compared to the pre-determined heat accumulator. The heat

exchanger was tested on the required conditions at the Aerodynamics and Thermic Stud La-

boratory (LETA). Temperature and air volumetric flow rate were manufactured and calibrated

with reference instruments. The approximate area of the heat accumulator was 0.308 m² ver-

sus 0.015 m² of the reference accumulator. In the test performed, was obtained a temperature

drop of 8°C and a time of approximate 8 minutes to complete the test. The reference accumu-

lator obtained approximated values of 1ºC for temperature drop and 15 minutes for test com-

pletion. The manufactures shape improved significantly the time constant of the accumulator

proving the its influence on the convection heat exchange.

KEYWORDS: Heat, Exchanger, Storage, Accumulator, Sensible, Temperature, Polyester,

Time, Constant.

iv

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1- Esquema da bancada de ensaio utilizada. (Fonte: Edital do projeto)

Figura 4.1 – Layout básico do acumulador de calor.

Figura 4.2 – Caixa de molde com fundo em massa de modelar.

Figura 4.3 – Caixa molde com canudos pronta para vazamento da resina.

Figura 5.1 – Curva estimada de temperatura versus tempo de ensaio

LISTA DE SÍMBOLOS

𝐴: Área [m²]

Cp: Calor específico do fluido [J/(kg.K)]

𝐹 : Força [N]

ℎ: Coeficiente de película [W/(m2.K)]

m: Massa [kg]

𝑀: Massa molar [kg/mol]

𝑛: Número de mols

𝑃: Pressão [Pa]

𝑃𝑜𝑡: Potencia [W]

𝜌: Massa específica [kg/m³]

Q: Vazão volumétrica [m³/s]

𝑞: Taxa de transferência de calor [W]

𝑅: Constante universal dos gases perfeitos [J/(mol.K)]

𝑇 Temperatura [ºC]

𝑢: Velocidade [m/s]

𝑉: Volume [m³]

v

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA ............................................................................................ 1

3. FUNDAMENTAÇÃO .......................................................................................................... 2

4 – METODOLOGIA ............................................................................................................... 3

5 – RESULTADOS ................................................................................................................... 6

6 – CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 7

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ......................................................................................... 8

APÊNDICE A ........................................................................................................................... 9

APÊNDICE B .......................................................................................................................... 10

1

1. INTRODUÇÃO

Este trabalho foi apresentado para a turma como parte da avaliação semestral da disciplina

de Medições Térmicas do curso de Engenharia Mecânica da UFRGS, sendo realizado como for-

ma de concurso entre os grupos da turma e o protótipo pré-determinado pelos professores. A

ideia central do problema nasceu de um projeto que o professor realizou na fazenda Quinta da

Estância, que baseava-se em um secador de frutas, sendo direcionado para a parte de acumulador

de calor do mesmo, com o objetivo de encontrar geometrias e formas de melhor acumular calor

usando uma resina com peso pré-determinado. Para que o trabalho pudesse ser realizado e ensai-

ado, foi disponibilizada pelos professores uma bancada comum a todos os grupos, conforme fi-

gura (1.1).

O problema tratado neste trabalho é o de acumular calor gerado durante o dia para que se

possa manter uma temperatura considerada constante e ideal durante toda a noite quando existe

ausência de energia solar e como consequência o resfriamento da superfície terrestre. A fim de

simular essas condições, o aquecimento solar foi substituído por uma resistência elétrica e ar foi

soprado por um ventilador em direção a resistência. Sendo assim o ar aquecido, passa por uma

caixa vedada com isopor, simulando o espaço para acumular calor do secador de frutas, e dentro

desta caixa é introduzido o trocador de calor confeccionado. Para verificação da eficiência do

trocador acoplado, medidores de temperatura e vazão fornecidos pelos professores e confeccio-

nados pelos grupos são adicionados ao sistema original, conforme é ilustrado na figura (1.1), e

então é tomado o tempo de resposta do sistema.

Fi-

gura

1.1-

Es-

que

ma

da

ban

cada

de

en-

saio

utili

liza-

za-

da.

(Fo

nte: Edital do projeto)

O objetivo principal do trabalho é, portanto, projetar um trocador de calor que tenha um

baixo tempo de resposta para um regime de acumulação e descarga de energia térmica, assim

como realizar corretamente as medições de temperatura e vazão do ar através da utilização de

medidores apresentados na disciplina ao longo do semestre.

2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA

Ventilador

Seção de ENSAIO

TermômetroLETA

AQUECEDOR

1.00 m 1.00 m 1.00 m

Medidor de vazão

LETA

Seção de instrumentaçãoVazão e Temperatura

ALUNOS

Seção de instrumentaçãoTemperatura

ALUNOS

LUVA

TermômetroManômetro

LETA

TermômetroManômetro

LETA

1.00 m 1.00 m

(2)(1) (3)

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

2

Wen, T., et al, 2006, Analisou experimentalmente e numericamente trocadores de calor em for-

mato de colmeia. Com uma face alimentada com fluxo de calor constante e com om trocador

submetido à convecção forçada. Foram feitos protótipos e modelos matemáticos de aço e cobre

em diversas formas e após isso, se obteve os dados de perda de carga da vazão de ar e ganhos ou

perdas relativas à transferência de calor em relação a trocadores convencionais. Demonstrando

que trocadores metálicos em formato de colmeia são ótimos candidatos para aplicações de troca

de calor.

Yuan-Xiang Fu, et al, 2014, Analisou os ganhos de transferência de calor de resina epóxi com

adição de grafite, cobre, alumínio, oxido de zinco, nitrato de boro, alumina, diamante e prata, e

obteve uma condutividade superior de 1,68 W/(m.K) com 43.3% da massa dos outros materiais

para a amostra com grafite

3. FUNDAMENTAÇÃO

3.1 – TERMODINÂMICA

Assumindo o ar como gás ideal, temos a equação (1), de modo que por substituição de e manipu-

lação algébrica podemos chegar na equação (2)

𝑃. 𝑉 = 𝑛. 𝑅. 𝑇 (1)

𝜌 =𝑃.𝑀

𝑅.𝑇 (2)

3.2 – TRANSFERÊNCIA DE CALOR

O mecanismo de transferência de calor do experimento é regido pela convecção forçada de acor-

do com a equação (3):

𝑞 = ℎ. 𝐴. (𝑇∞ − 𝑇𝑠) (3)

3.3 – TURBINA PELTON

A potencia gerada em uma turbina Pelton pode ser expressa pela equação (4):

𝑃𝑜𝑡 = 𝐹. 𝑢 (4)

O a Força F pode ser calculada pela equação (5):

𝐹 = 𝜌.𝑢2

2. 𝐴𝑝𝑎𝑙ℎ𝑒𝑡𝑎 (5)

Em uma turbina Pelton ideal, a velocidade tangencial é igual a velocidade do escoamento pro-

pulsor

3.4 – INCERTEZAS DE MEDIÇÃO

Os instrumentos de medição fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fenômeno.

Logo, há uma divergência entre o valor medido e o valor real. Esta diferença é o erro associado à

medição, podendo ser causado tanto por fenômenos aleatórios quanto por problemas na instru-

mentação.

3

3.4 – RESOLUÇÃO E SENSIBILIDADE DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO.

É comum, após a medição de um experimento, utilizar os dados coletados para calcular outras

grandezas. Ao se fazer isto, as novas grandezas são acompanhadas com os erros das variáveis

utilizadas. Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equação de Kline e McClintock:

𝑢𝑓= √(

𝜕𝑓(𝑥,𝑦)

𝜕𝑥.𝑢𝑥)

2+(

𝜕𝑓(𝑥,𝑦)

𝜕𝑦.𝑢𝑦)

2 (6)

4 – METODOLOGIA

Para o acumulador de calor foi proposta a geometria de colmeia. Sendo esta escolhida pela gran-

de razão de área de troca de calor por massa e relativa facilidade de fabricação com o intuito de

aumentar a área de troca térmica em relação ao acumulador de referência.

4.1 – BANCADA DE ENSAIO

Foi disponibilizada uma bancada de ensaio com insulamento de ar por ventilador centrifugo

através de uma tubulação onde foram alocados instrumentos de referência, acoplamentos para

instalação de instrumentos construídos. O espaço para colocação do acumulador de calor foi

constituído por uma caixa de madeira isolada internamente com dimensões de 300 mm de largu-

ra 155 mm de altura e 460 mm de comprimento.

4.2 – ACUMULADOR DE REFERENCIA

Foi feito um ensaio de referencia com um acumulador de geometria cilíndrica com aproximada-

mente 1 kg de massa e 0.015 m² de área de superfície, retornando um tempo de ensaio de apro-

ximadamente 15 min.

4.3 – ACUMULADOR DE CALOR

A forma idealizada para o acumulador de calor pode ser vista na Figura 4.1, abaixo:

Figura 4.1 – Layout básico do acumulador de calor.

4

4.3.1 – Material

O material utilizado para confecção do acumulador de calor foi resina poliéster cristal. Esta tem

coloração transparente e é vendida em forma liquida. Para que possa ser aplicada, deve ser mis-

turada com catalizador. Após isso deve ser vazada em um molde em até 15 min. O tempo de cura

foi de aproximadamente 24 h variando com a proporção de catalizador, que deve ser de até 3 %

em peso de resina poliéster.

4.3.2 – Premissas

O acumulador foi projetado de maneira que se encaixasse na seção transversal do espaço dispo-

nibilizado para a alocação do mesmo desta forma, foi definido o número de furos em função do

diâmetro destes e da distancia mínima entre eles definida em ensaios prévios, de modo que pre-

enchessem a maior área da seção transversal sem que fragilizasse a estrutura.

4.3.3 – Molde

Para confecção do molde, foi feita uma caixa vazada com a área interna igual à área da seção

transversal da caixa do ensaio. O fundo da caixa foi feito de massa de modelar para que fossem

cravados canudos de milk-shake como modelo dos furos passantes, como apresentam as figuras

que seguem 4.2 e 4.3

Figura 4.2 – Caixa de molde com fundo em massa de modelar.

5

Figura 4.3 – Caixa molde com canudos pronta para vazamento da resina.

4.2.4 – Geometria final

Com uma distância mínima entre furos de 4 mm, e canudos disponíveis de diâmetro de 10 mm

foram obtidos 285 furos. Após a confecção do molde, foi vazado aproximadamente 1030 g de

resina. Desta forma, com a contração do material após secagem e cura, as dimensões finais apro-

ximadas do acumulador foram:

Largura: 292 mm

Altura: 147 mm

Profundidade: 35 mm

Diâmetro dos Furos: 8 mm

Resultando em uma Área de troca de 0.308 m² contra aproximadamente 0.015 m² do Acumula-

dor de referência.

4.4 – INSTRUMENTOS

Foram montados um medidor de vazão volumétrica e um medidor de temperatura para o ensaio.

4.4.1 – Medidor de vazão volumétrica

Foi idealizado um medidor de vazão volumétrica de materiais reciclados, de configuração similar

a uma turbina Pelton, de modo que as medições sejam próximas a linear. Foram utilizados maté-

rias já sem uso em seu propósito original. De um controle de videogame foi retirado um motor

elétrico de corrente contínua que foi usado como gerador, de uma pote foi retirada a tampa para

que fosse utilizada como rotor, de canudos antigos foram feitas as pás, com potes de sorvete fo-

ram feitas a carenagem do sistema, fios elétricos antigos foram soldados ao motor para que fosse

medida a voltagem induzida no mesmo pelo movimento do rotor que foi acoplado. O equipa-

mento foi montado em um cano de PVC e o equipamento foi selado com fita isolante. Após isso

o medidor foi calibrado com um medidor de referência. Suas curvas característica e de calibração

estão apresentadas no APÊNDICE A.

4.4.2 – Medidor de temperatura

6

Foi adquirido um sensor NTC e este foi montado em um segmento de cano de PVC. Após isso,

foi calibrado com um PT100 de referencia., fornecido pelo LETA. Suas curvas característica e de

calibração são apresentadas no APÊNDICE B.

4.4 – ENSAIO

Com o objetivo de comparação da constante de tempo do acumulador de calor e o acumulador de

referencia, foi imposta uma vazão de ar de aproximadamente 20 L/s com temperatura de saída na

caixa de ensaio de aproximadamente 61°C. O acumulador de calor foi inserido na caixa e foi

medido o tempo em que a temperatura da saída chegou a uma temperatura mínima, no caso,

aproximadamente 53°C, e retornou a 63% da diferença entre a máxima e mínima temperatura,

sendo assim, um valor aproximado de 8 min. A influencia da perda de carga imposta pelo acu-

mulador de calor, no sistema, também foi aferida.

5 – RESULTADOS

O acumulador de calor confeccionado apresentou um tempo de ensaio 46% mais rápido que o

acumulador de referência. A área efetiva de troca térmica foi aumentada em aproximadamente

20 vezes em relação ao acumulador de referência. Não se notou interferência do acumulador de

calor sobre a vazão volumétrica do sistema. A curva aproximada de temperatura versus tempo

pode ser vista na Figura 5.1.

Figura 5.1 – Curva estimada de temperatura versus tempo de ensaio

Os objetivos do ensaio foram atendidos satisfatoriamente de modo que a geometria de colmeia

demonstrou ganhos bastante significativos em relação ao acumulador cilíndrico, dando subsídios

para que se possam fazer estudos mais aprofundados entre a relação de diâmetro de furo pela

área da seção transversal da colmeia. Pode-se, também, analisar a influência de aditivos na con-

dutividade da resina poliéster além de um estudo sobre a influência da rugosidade sobre a troca

térmica da colmeia com o meio, além de testes com outras geometrias de furo. No que tange a os

instrumentos construídos, para o medidor de vazão a curva de calibração foi ajustada como uma

exponencial apresentada no APÊDICE A, podendo ser substituída por uma curva linear em casos

onde a precisão não é de extrema importância. Já o medidor de temperatura teve comportamento

7

esperado para o sensor adotado (NTC) e foi escolhida uma curva de ajuste logarítmica, esta,

apresentada no APÊNDICE B.

6 – CONCLUSÃO

Com a confecção do trocador de calor proposto pelo grupo, pode-se perceber que a geome-

tria do trocador de calor é de suma importância para se ter resultados legitimamente satisfatórios

quando o assunto é o acumulo ou a troca de calor entre um escoamento e um solido qualquer.

Os resultados alcançados com o projeto foram de fato muito significativos. Atraves de uma

confecção artesanal e muito rústica, já se conseguiu melhorias da ordem de quase 50% no tempo

de resposta do solido apresentado no edital como referencia, concerteza com processos de fabri-

cação mais sofisticados, mantendo-se a ideia central, esse ganho poderia ser ainda maior. Con-

cluindo-se assim que a geometria apresentada para o trocador pode ser facilmente implementada

na indústria.

A solução apresentada pelo grupo certamente não é uma solução definitiva e otimizada,

tendo em vista que foi projetada apenas com intuição físicas que os componentes do grupo pos-

suíam a respeito do tema proposto. A fim de melhorar ainda mais o desempenho do trocador,

seria possível simular em programas de métodos computacionais afim de compreender melhor o

comportamento do escoamento do ar, campos de pressão e temperatura.

Como proposta para trabalhos futuros, aconselha-se a utilização de simulações computaci-

onais a fim de otimizar o acumulo de calor pelo protótipo assim como a troca de calor ar-solido.

8

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

INCROPERA, F. P.,Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6ª ed., 2008.

SCHNEIDER, P. S.,2012, Medição de Pressão em fluidos. Departamento de Engenharia Mecâ-

nica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site

http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html.

SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Velocidade e Vazão de fluidos. Departamentode Enge-

nharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site

http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html.

SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria Departamento de Engenharia Mecânica,

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site

http://143.54.70.55/medterm/temperatura.html

.

9

APÊNDICE A

Curvas característica e de Calibração do Medidor de Vazão Volumétrica

𝑄 = 13,17898591. 𝑒1,91647981.10−3𝑉

10

APÊNDICE B

Curvas característica e de Calibração do Medidor de Temperatura

𝑇 = −36.66𝑙𝑛(𝑅) + 149.29