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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
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
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cada
de
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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