UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

PROJETO DE UM COLETOR SOLAR TÉRMICO

PARA AQUECIMENTO DE AR

por

Paola Superti Dalmagro

Renato Fonseca Pedrotti

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, Julho de 2014

2

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................................... 3

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS ............................................... 3

RESUMO ............................................................................................................................................. 4

ABSTRACT ......................................................................................................................................... 5

INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 6

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................................ 6

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ....................................................................................................... 8

METODOLOGIA ................................................................................................................................ 9

RESULTADOS .................................................................................................................................. 12

CONCLUSÃO ................................................................................................................................... 14

REFERÊNCIAS ................................................................................................................................. 15

APÊNDICE A .................................................................................................................................... 16

APÊNDICE B .................................................................................................................................... 17

APÊNDICE C .................................................................................................................................... 19

3

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Geometria de Coletor Solar e seu Fator de Eficiência....................................................7

Figura 2: Tabela com as ponderações da contribuição da velocidade em função do raio normalizado

do tubo............................................................................................................................................9

Figura 3: Diagrama da bancada de ensaios. ..................................................................................10

Figura 4: Detalhe da vista isométrica na descarga do coletor........................................................10

Figura 5: Diagrama esquemático da medição de velocidade com o tubo de Pitot.........................11

Figura 6: Painel frontal da aplicação de monitoramento dos ensaios............................................12

Figura 7: Fotografia da bancada de testes, no dia do ensaio preliminar........................................12

Figura 8: Tubo de PVC de 100mm de diâmetro e sonda de tubo de cobre de 4mm de diâmetro in-

terno................................................................................................................................................13

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS

A: Área [m²]

h: Altura [m]

m: Massa [kg]

m ̇: Vazão mássica [kg/s]

P: Pressão [Pa]

T: Temperatura [ºC]

U: Tensão [V]

V: Velocidade [m/s]

V: Volume [m³]

V ̇: Vazão volumétrica [m³/s]

ρ: Massa específica [kg/m³]

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RESUMO

O presente trabalho é realizado com o intuito de desenvolver um protótipo de coletor solar tér-

mico para aquecimento de ar. O protótipo é utilizado para aquecer o ar forçado a escoar por ele no

ambiente de laboratório através de um ventilador operando com a frequência de 20 Hz. Um con-

junto de lâmpadas incandescentes é utilizado para fornecer o fluxo de calor por radiação.

A partir da medição de vazão volumétrica (0,03001 m³/s) e mássica (0,0356 kg/s), com um

tubo de Pitot, além das temperaturas de entrada (23,7°C) e saída (39,58°C), com o auxílio de termo-

pares tipo J, é possível verificar que o aumento da área da superfície absorvedora é eficiente em au-

mentar a taxa de calor transferida para o ar sem prejudicar em demasia a vazão, em comparação

com o coletor solar de placa plana, chamado de coletor de referência.

PALAVRAS-CHAVE: Coletor Solar Térmico, Aquecedor de Ar, Temperatura, Vazão.

5

ABSTRACT

This paper is realized in order to develop a prototype of an air heather. The prototype is used

to heat the air forced to flow through it in the laboratory environment using a fan operating with the

frequency of 20 Hz. A set of incandescent lamps is used to supply the radiation.

From the volumetric (0,03001 m³/s) and massive (0,0356 kg/s) flow measurement, using a Pi-

tot tube, as well as entrance (23,7°C) and exit (39,58°C) temperatures, with the assistance of ther-

mocouples type J, is possible verify that the increase of absorbing surface area is efficient to in-

crease the flow of heat transferred to the air without damaging too much the flow of air, in compari-

son with the flat plate solar collector, named as reference collector.

KEY-WORDS: Thermal Collector, Air Heater, Temperature, Flow of air.

6

INTRODUÇÃO

O coletor solar de placa plana é o coração de qualquer sistema de coleta de energia solar, designado

para uma operação com baixa ou média variação de temperatura. Coletores planos usam tanto a radiação

direta como a difusa, não necessitam de rastreamento do sol, e requerem pouca manutenção.

Um simples coletor plano consiste em uma superfície absorvedora (normalmente preta), uma ar-

madilha para reter as perdas por radiação da superfície absorvedora (tal como o vidro, que transmite ra-

diação solar com comprimento de ondas curtas, mas bloqueia as ondas longas vindas do absorvedor), o

meio de transferência de calor é por ar, água, etc. O sistema também é composto por alguns isolamentos

nas paredes.

Coletores planos são normalmente fixados permanentemente em uma determinada posição. Os

coletores devem ser orientados diretamente para o equador, virado a sul no hemisfério norte e norte no

hemisfério sul. O ótimo ângulo de inclinação é igual à latitude do local com variação do ângulo de mais

ou menos 10-15º, dependendo da aplicação.

O trabalho foi proposto com o objetivo de aplicar os conhecimentos adquiridos na disciplina de

medições térmicas para o melhoramento de um coletor solar de placa plana para aquecimento de ar. A

partir de uma geometria fixa de 0,30x0,15x1,00 m, foram selecionados materiais e pesquisados formatos

de chapas para aumentar a temperatura de saída do ar sem prejudicar muito a vazão. Através de sistemas

de medição escolhidos, foi possível comparar a temperatura e a vazão na saída dos dois coletores.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O COLETOR SOLAR

O coletor solar é um dispositivo onde se pode verificar a transmissão de calor através dos três

processos: condução, convecção e radiação. A energia solar que incide por radiação é absorvida pelas

placas coletoras. Estas transmitem a parcela absorvida desta energia para o ar, principalmente pelo

processo de condução, e uma pequena parte é refletida para o ar que envolve a chapa. A eficiência do

coletor é dada pela proporção destas três parcelas de energia (absorvida, transmitida e refletida) em

relação à quantidade total de energia incidente. Dessa forma, o coletor será mais eficiente quanto

maior for a quantidade de energia transmitida para o ar.

A Figura 1 mostra seis geometrias para coletores solares. Também nesta figura estão os fatores

de eficiência dos coletores.

7

Figura 1: Geometria de Coletor Solar e seu Fator de Eficiência. Fonte: Duffie, 2006.

A tecnologia de coletores solares térmicos continua em crescente desenvolvimento, e atual-

mente a fronteira tecnológica fica por conta dos sistemas de ar quente para ventilação, utilizado prin-

cipalmente em países frios, como Canadá e Alemanha. Suas funções são atenuação do clima, redução

de perdas térmicas pela parede, melhoria da qualidade do ar, redução de problemas com pressão ne-

gativa, etc.

Tais sistemas consistem em absorvedores negros perfurados junto às paredes dos ambientes a

serem aquecidos para captura da energia solar, um ventilador que força o ar através do coletor, vál-

vulas e aquecedores auxiliares para a regulagem da temperatura e dutos por onde o ar será distribuído

pelo edifício. As perdas de calor pela parede serão recuperadas, retornando pelo ar de entrada.

8

As vantagens destes sistemas são inúmeras, como a possibilidade de montagem em qualquer

superfície apropriada, a possibilidade de utilização de ventiladores e dutos já existentes nos locais, o

baixo custo de manutenção, grande variedade de tamanhos, payback típico de 2 a 5 anos, entre outras.

Podem ser utilizados tanto em projetos arquitetônicos como para pré-aquecer o ar para processos

industriais e secagem de safras.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste trabalho, o balanço de energia entre a fonte de calor constante e a corrente de ar insuflada

no coletor solar, em regime permanente, foi modelada conforme a equação (6). Onde: qAr é a taxa de

energia recebida pela corrente de ar, em W, �̇� é a vazão mássica de ar insuflado, em kg/s, TE e TS são

as temperaturas da corrente de ar na admissão e na descarga do coletor, respectivamente, em graus

Celsius e Cp é o calor específico do ar a pressão constante (assumido em 1.006 J/kg.K, para a faixa

de 250 a 350 K, segundo o Incropera/DeWitt).

𝑞𝐴𝑅(𝑚,̇ 𝑇) = �̇�𝐶𝑃(𝑇𝑆 − 𝑇𝐸) (6)

Embora o CP seja constante, tanto a vazão mássica quanto as temperaturas foram lidas via ins-

trumentos desenvolvidos, calibrados e instalados no protótipo.

A medição da vazão mássica foi avaliada em função da volumétrica. Esta, por sua vez, se deu

através da velocidade média, lida na diferença de pressão detectada por um tubo de Pitot contra uma

tomada de pressão estática, como na equação (7). Onde: ATubo é a área do tubo, em m², ρAR é a

massa específica do ar em função da temperatura de admissão, em kg/m³. A velocidade média tam-

bém foi ponderada em função do raio normalizado, onde aplicou-se o método das áreas iguais. A

equação (9) apresenta a relação funcional da velocidade do escoamento com a diferença de pressão

lida. O peso atribuído a cada velocidade, wi, foi levantado a partir da tabela esboçada na Figura 2.

�̇� = 𝜌(𝑇𝑒)𝐴𝑇𝑢𝑏𝑜�̅�𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 (7)

�̅�𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 = ∑𝑉𝑖𝑤𝑖 (8)

𝑉𝑖 = √2∆𝑃

𝜌 (9)

9

Figura 2: Tabela com as ponderações da contribuição da velocidade em função do raio normalizado do

tubo. Fonte: Apostila de vazão da disciplina.

Com relação a massa específica, ρAR, assumiu-se um modelo de gás ideal, o qual é função da

pressão absoluta do gás (estimada em 101.325 Pascals), da constante R do ar, em 296,93 J/kg.K, e

da temperatura da admissão, TE, em Kelvin. Como segue na equação (10).

𝜌(𝑇𝐸) =𝑝𝐴𝐵𝑆

𝑅𝐴𝑅𝑇𝐸 (10)

METODOLOGIA

A partir dos conhecimentos adquiridos principalmente na disciplina de Medições Térmicas,

além de pesquisas realizadas pelo grupo, foi concebido um protótipo para melhoramento da eficiên-

cia do coletor solar proposto.

GEOMETRIA

Segue na figura 2 o diagrama esquemático da bancada de testes. O banco de lâmpadas foi

composto por 17 lâmpadas de 200 W, em tensão elétrica de 220 V. O ventilador desfrutou de acio-

namento por conversor de frequência, excursionando dos zero aos 30 Hz, impondo vazão de acordo

10

com a perda de carga do circuito de tubulação, coletores e instrumentação. Para os testes o conver-

sor deveria estar configurado para 20 Hz. A tubulação era de PVC com 100 mm de diâmetro. Tam-

bém observa-se a posição aproximada das tomadas dos instrumentos.

Figura 3: Diagrama da bancada de ensaios. O coletor não poderia exceder 0,3 x 0,15 x 1 metro (LxHxP).

Fonte: Edital do trabalho final.

SOLUÇÕES PARA A GEOMETRIA

A proposta de melhoria de geometria, após a revisão bibliográfica, indicou o aumento da área

de face da placa absorvedora, aquela que receberá radiação do banco de lâmpadas, para atacar de

forma simplista uma geometria funcional e que permitisse uma série de outros melhoramentos. Segue

na Figura 4 o esboço tridimensional do coletor, desenvolvido no ambiente SolidWorks.

Figura 4: Detalhe da vista isométrica na descarga do coletor.

Visualização do perfil proposto para a chapa.

A placa absorvedora foi uma chapa de alumínio de 0,6 mm conformada em um perfil triangular.

A área de coleção foi aumentada em 200%, apresentando 0,906 m², enquanto a de referência exibiu

11

0,3 m². A pintura, no sentido do aumento da absortância, foi com tinta spray preto fosco, padrão de

mercado. No apêndice A segue a vista frontal e a isométrica do coletor.

SOLUÇÃO PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA

A medição de temperatura se deu através de juntas de termopar do tipo J e de um multímetro

multiplexador Agilent 34970. Foram calibrados cinco fios de extensão que haviam sido desmobiliza-

dos de um experimento anterior, sem custos. A calibração se deu em cima de um PT100, calibrado e

disponibilizado pela organização. Ao se lançar mão do multímetro Agilent, também se pôde usar o

recurso de “zero eletrônico” que o instrumento dispõe como parâmetro de referência para medição

de termopares. Posto isso, foram levantadas as curvas da temperatura dos termopares contra a tem-

peratura do PT100. Dos cinco, foram selecionados os dois que apresentaram o parâmetro “R ao qua-

drado” unitário. Na tomada de temperatura de entrada, foi alocado o termopar J2, modelado como na

equação (11). E o J3 na tomada de temperatura de saída, com o ajuste de curva da equação (12).

𝑇𝐸 =𝑇𝑇𝑃𝐽2+1,1221

1,0211 (11)

𝑇𝑆 =𝑇𝑇𝑃𝐽3+1,2818

1,0227 (12)

No apêndice B seguem os dados de calibração dos sensores de temperatura.

SOLUÇÃO PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO

Como já dito, com relação a vazão, foi utilizado um tubo de Pitot e uma tomada de pressão

estática. O manômetro utilizado foi um inclinado, graduado em milímetros de coluna d’água

(mmCA), disponibilizado pela organização. Sistema parecido com o da Figura 5.

Figura 5: Diagrama esquemático da medição de velocidade com o tubo de Pitot. Fonte: Google Images.

12

Em função do projeto de uma placa de orifício que não alcançou êxito, foi demasiado encurtado

o período de testes em tempo real, inviabilizando a calibração do Pitot contra a placa de orifício de

referência, disponibilizada pela organização. Buscando a execução das boas práticas, foi executada a

ponderação da velocidade média no cálculo da vazão, com vistas a melhor detectar as linhas de cor-

rente do perfil do escoamento.

A fim de se melhor aproveitar o tempo na bancada de testes, foi desenvolvida uma rotina em

LabVIEW para que se acompanha-se a evolução das temperaturas ao longo do ensaio. Ainda imple-

mentou-se um script que avaliava as vazões volumétrica e mássica através da entrada de dados pelo

teclado: dos pesos das velocidades e das leituras de diferença de pressão, em mmCA. De posse da

vazão e das temperaturas, era possível, por fim, avaliar a taxa de energia transferida para o escoa-

mento. Na Figura 6 segue a imagem do painel frontal da aplicação. No apêndice C segue o diagrama

de blocos do algoritmo.

Figura 6: Painel frontal da aplicação de monitoramento dos ensaios.

RESULTADOS

ENSAIO PRELIMINAR

O ensaio preliminar das soluções acopladas na bancada transcorreu no dia três de junho de

2014, entre as 17 e as 19 h, no LETA. Segue na Figura 7 uma fotografia do coletor proposto acoplado

13

à bancada de testes. Foi acompanhado o comportamento transiente com o ventilador desligado, que

durou, aproximadamente, 19 minutos. As tomadas de temperatura entre a descarga e a admissão apre-

sentaram 14° C de diferença.

Figura 7: Fotografia da bancada de testes, no dia do ensaio preliminar. Vista do duto de saída.

É possível observar a placa de orifício no duto de admissão.

Acionando-se o ventilador, gradativamente, acompanhava-se a sensibilidade dos manômetros

na placa de orifício projetada, a qual não apresentou variação. Nem na admissão e nem na descarga

da linha de testes. Condenou-se assim o instrumento e assumiu-se uma solução alternativa por tubo

de Pitot e ponderação das velocidades ao longo do raio. Segue na Figura 8 uma fotografia dos uten-

sílios do Pitot.

14

Figura 8: Tubo de PVC de 100mm de diâmetro e sonda de tubo de cobre de 4 mm de diâmetro interno. A

tomada de estática dar-se-á com uma mangueira de silicone.

ENSAIO FINAL

Esta parte do relatório visa disponibilizar um espaço para as anotações do ensaio final, através

das leituras feitas na aplicação de monitoramento.

Com relação a temperatura: Temperatura de admissão, TE: 23,7 °C; temperatura de descarga,

TS: 39,58 °C; Delta T: 15,8 K.

Com relação a vazão: vazão volumétrica: 0,139 m³/s; vazão mássica: 0,152 kg/s e vazão más-

sica final: 546,84 kg/hr.

Por fim, a estimativa da taxa de energia transferida do coletor solar protótipo para a corrente de

ar, está estimada em 2348 Watts.

CONCLUSÃO

Comparando-se os resultados dos instrumentos desenvolvidos contra os de referência pôde-se

validar, com tranquilidade, o uso dos termopares calibrados nas leituras de temperatura. Foi obser-

vada discrepância na segunda casa decimal.

Por outro lado, a medição de vazão divergiu em, aproximadamente, cinco vezes a da vazão de

referência (por volta dos 35,98 gramas por segundo). O que, consequentemente, fez com que a taxa

de energia transferida também divergisse fortemente da de referência (o qual transferiu 620 W).

Contra esta, observou-se que o protótipo reduziu o desempenho em 11,8 %, transferindo 545 W.

15

Ao longo do projeto e dimensionamento das soluções foi possível perceber a dificuldade ine-

rente em se definir uma geometria que promovesse baixa perda de carga, por se tratar de um escoa-

mento a baixa velocidade, por volta de 1,5 m/s. Nessas condições foi muito estreito o espectro de

soluções que apresentasse um compromisso razoável entre tempo de residência, turbulência dentro

do coletor e taxa de transferência de energia.

Ao lançar mão de uma medição de vazão pouco invasiva, como um tubo de Pitot, poder-se-ia

implementar alguma espécie de chicana, a qual eliminasse a possibilidade de alguma linha de corrente

preferencial que atravessasse o coletor, sem colisão com a placa absorvedora.

Também poderiam ser exploradas superfícies seletivas no vidro que selava o topo do coletor.

De tal sorte a explorar melhor a radiação disponível para troca térmica e o efeito estufa do protótipo.

Como a radiação do experimento era proveniente de lâmpadas incandescentes, foi optado por deixar

esse quesito inexplorado, pois não obteríamos considerável melhoramento das variáveis medidas já

que a radiação destas lâmpadas é consideravelmente diferente da que será absorvida durante a vida

útil do protótipo, que é a radiação solar.

Por fim, cabe ressaltar a importância deste projeto, pois ao percorrer as etapas chave de desen-

volvimento do protótipo do coletor solar, foi possível desenvolver habilidades de seleção e dimensi-

onamento de materiais, modelagem dos fenômenos que dominavam o ensaio e da boa prática ao se

redigir relatórios técnicos.

REFERÊNCIAS

DUFFIE. A. J., BECKMAN. A. W., Solar Engineering of Thermal Processes, Third Edition, John

Wiley and Sons, Inc, 2006.

SCHNEIDER, P. S., 2011, Medição de Pressão em 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.

SCHNEIDER, P. S., 2011, 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.

16

APÊNDICE A

Vista isométrica do coletor solar proposto:

Vista frontal do coletor proposto:

17

APÊNDICE B

Tabela com os dados da calibração dos termopares:

PONTO R-PT100 T-PT100 J1 DeltaJ1 J2 DeltaJ2 J3 DeltaJ3 J4 DeltaJ4 J5 DeltaJ5

1 126,036 66,33 66,59 -0,26 66,65 -0,32 66,63 -0,3 66,45 -0,12 66,6 -0,27

2 123,643 60,31 60,28 0,03 60,32 -0,01 60,26 0,05 60,25 0,06 60,25 0,06

3 121,492 54,83 54,82 0,01 54,85 -0,02 54,78 0,05 54,81 0,02 54,883 -0,053

4 119,683 50,21 50,24 -0,03 50,27 -0,06 50,14 0,07 50,2 0,01 50,28 -0,07

5 117,167 43,79 43,61 0,18 43,61 0,18 43,49 0,3 43,57 0,22 43,65 0,14

7 114,821 37,8 37,49 0,31 37,52 0,28 37,45 0,35 37,42 0,38 37,5 0,3

8 112,02 30,67 30,06 0,61 30,12 0,55 30,03 0,64 30,03 0,64 30,11 0,56

Tabela 1: relação dos dados do ensaio de calibração dos termopares contra um PT100

Curva de temperatura do termopar J2:

Curva de temperatura do termopar J3:

y = 1,0211x - 1,1221R² = 1

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Tem

per

atu

ra d

o T

ipo

J2

Temperatura do PT100

J2

J2Lin…

18

y = 1,0227x - 1,2818R² = 1

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Tem

per

atu

ra d

o T

ipo

J3

Temperatura do PT100

J3

J3

19

APÊNDICE C

Diagrama de blocos da rotina de monitoramento em LabVIEW: