UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
OTIMIZAÇÃO DE GEOMETRIA PARA ACUMULADOR DE ENERGIA
TÉRMICA
por
Diego Persico Alves
Roger Cecconello Mendes
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
[email protected]
Porto Alegre, dezembro de 2014.
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RESUMO
Este trabalho tem por finalidade desenvolver um protótipo de acumulador sólido
de energia térmica por calor sensível, submetido a um escoamento de ar, de modo a
otimizar a transferência de energia. Testa-se o protótipo em uma bancada composta por
tubulação, onde escoa, impulsionado por ventilador, ar aquecido. Através de
instrumentos calibrados medem-se temperaturas ao longo do tempo, bem como, vazões
mássicas e volumétricas. Com estes dados calcula-se a constante de tempo térmica, e a
taxa de energia acumulada pelo protótipo, comparando com um acumulador padrão.
PALAVRAS-CHAVE: Acumulador de energia, geometria otimizada,
energia térmica.
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ABSTRACT
This paper aims to develop a solid accumulator prototype thermal energy by
sensible heat, subjected to an air flow in order to optimize the energy transfer.
We test the prototype on a workbench composed of pipe, where flows, driven by
fan, heated air. Through calibrated instruments temperatures are measured over time as
well, mass and volumetric flow rates. With these data we calculate the thermal time
constant, and the rate of energy accumulated by the prototype compared to a standard
battery.
KEYWORDS: Energy storage, optimized geometry, thermal energy.
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE
SÍMBOLOS
A: Área [m²]
m: Massa [kg]
p: Pressão estatica [Pa]
p0: Pressão de estagnação [Pa]
T: Temperatura [ºC]
v: Velocidade [m/s]
V: Volume [m³]
ρ: Massa específica [kg/m³]
c: calor específico do fluido [J/Kg.oC]
LISTA DE FIGURAS
Figura.1
Tubo de Pitot usado na seção (3), Acumulador usado na seção (6),
NTC usado na seção (8);
Figura.2
Acumulador de energia térmica.
Figura.3
Acumulador de energia térmica na balança.
Figura.4
Tubo de Pitot.
Figura.5
Curva de calibração do NTC.
Figura.6
NTC usado no experimento.
Figura.7
Multímetros usados no teste.
Figura.8
Gráfico da temperatura pelo tempo, constante de tempo.
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SUMARIO
I.
II.
RESUMO
ABSTRACT
1. INTRODUÇÃO
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Condução transiente do calor.
3.2 Medições de parâmetros térmicos.
3. METODOLOGIA
4. RESULTADOS
5. CONCLUSÕES
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
6
INTRODUÇÂO
O presente trabalho abordou o tema do acúmulo de energia térmica. Este
tema mantém importância mesmo com o passar do tempo, pois inovações de métodos e
materiais otimizam o acúmulo de energia. Hoje há soluções com acumuladores para
sistemas térmicos que garantem o funcionamento e geram economia nestes sistemas.
Como exemplo o sistema de refrigeração de shopping center, a maior carga térmica, ou
seja, necessidade de refrigeração, acontece no horário de maior custo da energia
elétrica. Um acumulador térmico, neste caso, tem a função de armazenar energia no
período de menor custo da energia elétrica e usa-la posteriormente quando é mais cara.
O trabalho objetivou construir um acumulador de energia por calor sensível,
sólido, submetido a uma corrente forçada de ar, e a uma temperatura prescrita de
operação, que resultasse em um menor tempo possível de acumulação e descarga de
energia térmica Usou-se como material resina poliéster cristal, solidificada com auxílio
de um catalisador, com massa de 1000 ± 50g. Buscou-se uma geometria que resultasse
em um menor tempo possível de acumulação e descarga de energia térmica para o
acumulador, e menor perda carga ao escoamento. E realizaram-se testes, em bancada
experimental instalada no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos LETA.
Usando instrumentos de medição adquiriram-se os dados necessários para
calcular a constante de tempo térmica do acumulador, parâmetro avaliador do trabalho.
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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Condução transiente do calor
O acumulador de energia passa por processo de transferência de calor por
convecção ao entrar em contato com um escoamento de ar à uma temperatura mais alta
que o próprio. Essa transferência de calor acontece em regime transiente, pois a
diferença de temperatura varia com o tempo.
Para o trabalho modelamos a transferência de calor pelo modelo da
capacitância global. Este modelo desconsidera os gradientes de temperatura dentro do
corpo sólido, considerando que o corpo esta à mesma temperatura. Isto permite calcular
o parâmetro chamado constante de tempo térmica [τ], através da equação descrita
abaixo.
Eq:1.
Eq:2.
Eq:3.
Onde:
é a resistência térmica à transferência de calor por convecção.
é o coeficiente de transferência de calor por convecção.
A é a área superficial do sólido.
é a capacitância térmica global.
é a densidade específica do sólido.
é o volume do sólido.
é o calor específico do material.
Por definição a constante de tempo térmica (τ), é o tempo que se leva para
alcançar 63,2% da temperatura inicial.
Medições de parâmetros térmicos
Para mensurar a constante de tempo térmica do acumulador se faz necessário
conhecer a taxa de volume de ar, ou seja, vazão volumétrica, bem como sua massa e
temperatura.
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Usou-se no trabalho um tubo de Pitot para medir a velocidade do ar, e, por
conseguinte a vazão, e um NTC para medir a temperatura do ar.
Tubo de Pitot
O tubo de Pitot é um instrumento que permite calcular a velocidade de um
escoamento através da medição de duas pressões, pressão estática e pressão de
estagnação. A diferença dessas duas pressões resulta na terceira, pressão dinâmica. Pela
qual se calcula a velocidade do escoamento através da equação abaixo.
Eq:4.
√
(
)
Onde:
é a velocidade do escoamento.
é a pressão de estagnação.
é a pressão estática.
é a densidade específica do fluido.
Termistor NTC (negative temperature coeficiente - coeficiente de temperatura
negativa)
Os termistores apresentam um comportamento de diminuição da resistência
com o aumento da temperatura. É feito de material semicondutor e possui
comportamento não linear. Por isso o NTC necessita de calibração, que relaciona a
variação da resistência elétrica em função da variação da temperatura do meio.
METODOLOGIA
Utilizou-se para o trabalho:
Resina poliéster cristal, e catalisador, com massa de 1000 ± 50g.
Tubo de Pitot.
Termistor NTC.
Bancada de testes do LETA, Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos.
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Ar escoa pela tubulação da bancada a uma vazão constante, impulsionado por
um ventilador, é aquecido num primeiro trecho por um fluxo constante de calor, passa
pela caixa de teste e retorna ao ambiente, mediu-se a temperatura do ar na saída da
tubulação para o ambiente externo, num primeiro momento sem o acumulador, então
colocou-se o acumulador na caixa de teste e mediu-se a temperatura do ar na saída da
tubulação sucessivamente em intervalos de 10 segundos, até o sistema entrar em regime
permanente, ou seja, a temperatura não variar mais.
O esquema da bancada de teste é o descrito pela figura abaixo.
Figura.1
Tubo de Pitot usado na seção (3), Acumulador usado na seção (6), NTC
usado na seção (8);
O objetivo do trabalho consistia em produzir um acumulador com menor
constante de tempo possível. Conforme mostra a Eq:1.e considerando as restrições
impostas, material e peso especificados, pode-se influenciar a constante apenas
modificando o termo da resistência térmica a convecção. Portanto buscou-se uma
grande área superficial (A) para o acumulador sem que essa gerasse muita perda de
carga, além de impor rugosidade a superfície para aumentar o coeficiente de
transferência de calor por convecção (h). Resultando na geometria vista nas figuras
abaixo.
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Figura.2
Figura.3
O tubo de Pitot usado para medir a vazão de ar, foi produzido com tubulação
de cobre de 3/8 de polegada, com dimensões em [mm] de 9,52 diâmetro externo e 7,94
diâmetro interno. Foi acoplado à um manômetro em U. Montado como mostra a figura
abaixo.
11
Figura.4
Para medir temperatura usou-se o NTC, que foi calibrado, foi acoplado à
multímetros digitais como visto nas figuras abaixo.
Resistência - Ohm [ KΩ ]
Curva de Calibração
14
12
10
8
6
4
y = 2-7E-05x3 + 0,0155x2 - 1,15x + 31,23
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Temperatura - Celsius [C °]
Figura.5
80
90
100
12
Figura.6
Figura.7
RESULTADOS
Após colher os dados do NTC, com uso da curva de operação chegou-se à
constante de tempo para a temperatura e vazão pré-determinadas. Cerca de 8min15s é a
constante observada, para as temperaturas inicial e final, respectivamente, de 23 [ºC] e
68 [ºC] Como mostra a figura a seguir.
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Constante de Tempo
69,00
68,00
67,00
66,00
65,00
64,00
63,00
62,00
Figura.8
CONCLUSÕES
Comparando-se o acumulador, desenvolvido neste trabalho, com o acumulador
padrão, nota-se que a geometria é um fator relevante para a constante de tempo, como
se previa pela teoria. Há de se buscar em trabalhos futuros uma geometria que obtenha
bons resultados para vazões diferentes da usada neste.
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.
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.