UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECAcircNICA
ENERGIA E FENOcircMENOS DE TRANSPORTE
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUCcedilAtildeO DE UM PROTOacuteTIPO
DE COLETOR SOLAR PARA AQUECIMENTO DE AR
por
Bruno Hartmann da Silva
Miguel Kuumlhnert Frichenbruder
Trabalho Final da Disciplina de Mediccedilotildees Teacutermicas
Professor Paulo Smith Schneider
pssmecanicaufrgsbr
Porto Alegre Julho de 2014
ii
FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Desenvolvimento e construccedilatildeo
de um protoacutetipo de coletor solar para aquecimento de ar 2014 Trabalho final da discipli-
na de Mediccedilotildees Teacutermicas do curso de Engenharia Mecacircnica ndash Departamento de Engenharia
Mecacircnica Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014
RESUMO
Este trabalho apresenta um protoacutetipo de aquecedor de ar que utiliza apenas a energia solar
desenvolvido com o objetivo de aumentar a eficiecircncia de um coletor mais simples jaacute existente
O protoacutetipo que eacute fabricado com latas de alumiacutenio eacute ensaiado em uma bancada proacutepria para
esse fim com uma rotaccedilatildeo predeterminada no ventilador Os valores de temperatura do ar na
entrada e na saiacuteda do protoacutetipo e da vazatildeo satildeo medidos e calculados se obtendo uma diferen-
ccedila de temperatura de 2143degC com uma vazatildeo maacutessica de 3643x10-3 kgs Verifica-se a partir
de caacutelculos que o calor transmitido para o ar eacute de 78458 2355 W
PALAVRAS-CHAVE Energia solar coletor aquecedor de ar transferecircncia de calor
iii
FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Development and construction
of a solar collector to heat up air 2014 Final work part of the Thermal Measurements dis-
cipline of the Mechanical Engineering course ndash Mechanical Engineering Department Univer-
sidade Federal University of Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014
ABSTRACT
A prototype of air heater moved by solar energy is made aiming the enhancement of another
similar heater already in use The prototype manufactured from recycling aluminums cans is
tested in a test bench made for this objective determining a constant frequency of rotation in
the fan The values of the input and output air temperature and the mass flow rate are meas-
ured and calculated A difference of temperature of 2134degC is obtained with a mass flow rate
of 3643x10-3 kgs The result of the calculus made to find the transferred heat is equal to
78458 2355 W
KEYWORDS Solar energy collector air heater heat transfer
iv
SUMAacuteRIO
RESUMO II
ABSTRACT III
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2
31 Termodinacircmica 2
32 Transferecircncia de calor 2
33 Tubo de Pitot 4
34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5
35 Incertezas de mediccedilatildeo 5
36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5
41 Problemas experimentais 5
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5
43 Caso 6
46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7
47 Procedimento experimental 9
48 Resultados 10
3 CONCLUSAtildeO 11
REFEREcircNCIAS 12
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de
combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado
tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas
como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes
e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia
solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-
ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-
ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-
pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377
MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias
voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center
Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial
de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-
ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]
Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-
co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-
fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta
da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-
accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo
Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande
O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-
ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo
como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo
observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga
2
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por
energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes
em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs
utilizando uma placa de 2 msup2
Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-
tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor
com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs
Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-
perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2
Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-
dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia
solar
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
31 Termodinacircmica
Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)
119901119881 =119898
119872119877119879
(1)
Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-
demos dizer que
120588 =119901119872
119877119879
(2)
Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-
ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia
32 Transferecircncia de calor
O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo
para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute
perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna
como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente
Fazendo o balanccedilo de energia temos
119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)
A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia
distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-
rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do
coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
ii
FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Desenvolvimento e construccedilatildeo
de um protoacutetipo de coletor solar para aquecimento de ar 2014 Trabalho final da discipli-
na de Mediccedilotildees Teacutermicas do curso de Engenharia Mecacircnica ndash Departamento de Engenharia
Mecacircnica Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014
RESUMO
Este trabalho apresenta um protoacutetipo de aquecedor de ar que utiliza apenas a energia solar
desenvolvido com o objetivo de aumentar a eficiecircncia de um coletor mais simples jaacute existente
O protoacutetipo que eacute fabricado com latas de alumiacutenio eacute ensaiado em uma bancada proacutepria para
esse fim com uma rotaccedilatildeo predeterminada no ventilador Os valores de temperatura do ar na
entrada e na saiacuteda do protoacutetipo e da vazatildeo satildeo medidos e calculados se obtendo uma diferen-
ccedila de temperatura de 2143degC com uma vazatildeo maacutessica de 3643x10-3 kgs Verifica-se a partir
de caacutelculos que o calor transmitido para o ar eacute de 78458 2355 W
PALAVRAS-CHAVE Energia solar coletor aquecedor de ar transferecircncia de calor
iii
FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Development and construction
of a solar collector to heat up air 2014 Final work part of the Thermal Measurements dis-
cipline of the Mechanical Engineering course ndash Mechanical Engineering Department Univer-
sidade Federal University of Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014
ABSTRACT
A prototype of air heater moved by solar energy is made aiming the enhancement of another
similar heater already in use The prototype manufactured from recycling aluminums cans is
tested in a test bench made for this objective determining a constant frequency of rotation in
the fan The values of the input and output air temperature and the mass flow rate are meas-
ured and calculated A difference of temperature of 2134degC is obtained with a mass flow rate
of 3643x10-3 kgs The result of the calculus made to find the transferred heat is equal to
78458 2355 W
KEYWORDS Solar energy collector air heater heat transfer
iv
SUMAacuteRIO
RESUMO II
ABSTRACT III
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2
31 Termodinacircmica 2
32 Transferecircncia de calor 2
33 Tubo de Pitot 4
34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5
35 Incertezas de mediccedilatildeo 5
36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5
41 Problemas experimentais 5
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5
43 Caso 6
46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7
47 Procedimento experimental 9
48 Resultados 10
3 CONCLUSAtildeO 11
REFEREcircNCIAS 12
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de
combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado
tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas
como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes
e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia
solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-
ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-
ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-
pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377
MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias
voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center
Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial
de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-
ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]
Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-
co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-
fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta
da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-
accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo
Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande
O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-
ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo
como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo
observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga
2
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por
energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes
em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs
utilizando uma placa de 2 msup2
Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-
tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor
com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs
Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-
perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2
Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-
dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia
solar
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
31 Termodinacircmica
Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)
119901119881 =119898
119872119877119879
(1)
Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-
demos dizer que
120588 =119901119872
119877119879
(2)
Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-
ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia
32 Transferecircncia de calor
O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo
para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute
perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna
como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente
Fazendo o balanccedilo de energia temos
119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)
A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia
distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-
rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do
coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
iii
FRICHENBRUDER M K HARTMANN DA SILVA B Development and construction
of a solar collector to heat up air 2014 Final work part of the Thermal Measurements dis-
cipline of the Mechanical Engineering course ndash Mechanical Engineering Department Univer-
sidade Federal University of Rio Grande do Sul Porto Alegre 2014
ABSTRACT
A prototype of air heater moved by solar energy is made aiming the enhancement of another
similar heater already in use The prototype manufactured from recycling aluminums cans is
tested in a test bench made for this objective determining a constant frequency of rotation in
the fan The values of the input and output air temperature and the mass flow rate are meas-
ured and calculated A difference of temperature of 2134degC is obtained with a mass flow rate
of 3643x10-3 kgs The result of the calculus made to find the transferred heat is equal to
78458 2355 W
KEYWORDS Solar energy collector air heater heat transfer
iv
SUMAacuteRIO
RESUMO II
ABSTRACT III
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2
31 Termodinacircmica 2
32 Transferecircncia de calor 2
33 Tubo de Pitot 4
34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5
35 Incertezas de mediccedilatildeo 5
36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5
41 Problemas experimentais 5
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5
43 Caso 6
46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7
47 Procedimento experimental 9
48 Resultados 10
3 CONCLUSAtildeO 11
REFEREcircNCIAS 12
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de
combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado
tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas
como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes
e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia
solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-
ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-
ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-
pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377
MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias
voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center
Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial
de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-
ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]
Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-
co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-
fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta
da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-
accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo
Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande
O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-
ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo
como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo
observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga
2
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por
energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes
em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs
utilizando uma placa de 2 msup2
Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-
tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor
com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs
Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-
perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2
Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-
dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia
solar
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
31 Termodinacircmica
Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)
119901119881 =119898
119872119877119879
(1)
Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-
demos dizer que
120588 =119901119872
119877119879
(2)
Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-
ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia
32 Transferecircncia de calor
O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo
para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute
perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna
como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente
Fazendo o balanccedilo de energia temos
119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)
A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia
distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-
rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do
coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
iv
SUMAacuteRIO
RESUMO II
ABSTRACT III
1 INTRODUCcedilAtildeO 1
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA 2
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 2
31 Termodinacircmica 2
32 Transferecircncia de calor 2
33 Tubo de Pitot 4
34 Meacutetodo das aacutereas iguais 5
35 Incertezas de mediccedilatildeo 5
36 Propagaccedilatildeo de incertezas 5
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS 5
41 Problemas experimentais 5
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC 5
43 Caso 6
46 Desenvolvimento do protoacutetipo 7
47 Procedimento experimental 9
48 Resultados 10
3 CONCLUSAtildeO 11
REFEREcircNCIAS 12
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 12
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de
combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado
tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas
como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes
e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia
solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-
ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-
ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-
pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377
MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias
voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center
Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial
de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-
ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]
Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-
co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-
fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta
da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-
accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo
Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande
O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-
ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo
como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo
observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga
2
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por
energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes
em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs
utilizando uma placa de 2 msup2
Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-
tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor
com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs
Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-
perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2
Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-
dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia
solar
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
31 Termodinacircmica
Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)
119901119881 =119898
119872119877119879
(1)
Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-
demos dizer que
120588 =119901119872
119877119879
(2)
Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-
ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia
32 Transferecircncia de calor
O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo
para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute
perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna
como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente
Fazendo o balanccedilo de energia temos
119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)
A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia
distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-
rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do
coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
1
1 INTRODUCcedilAtildeO
A atual preocupaccedilatildeo com o meio ambiente devido agrave poluiccedilatildeo causada pela utilizaccedilatildeo de
combustiacuteveis foacutesseis e a escassez de recursos naturais causada pelo dano por eles ocasionado
tem levado a engenharia a desenvolver formas de obtenccedilatildeo de energia a partir de fontes tidas
como sustentaacuteveis tendo como principal caracteriacutestica a baixas ou nulas emissatildeo de poluentes
e impacto ambiental Dentre essas novas fontes energias uma das mais notaacuteveis eacute a energia
solar a qual tem tomado destaque no uso de ceacutelulas fotovoltaicas para a conversatildeo de radia-
ccedilatildeo solar em energia eleacutetrica Desenvolvimentos contiacutenuos vecircm sendo feitos para a substitui-
ccedilatildeo de antigas fontes de energia por conversores de energia solar ndash como por exemplo Ivan-
pah a maior usina movida a energia solar do mundo no deserto de Mojave produzindo 377
MW em 142 kmsup2 [brightsourceenergycom] ndash e na melhoria do rendimento de tecnologias
voltadas agrave sua obtenccedilatildeo ndash o instituto Fraunhofer ISE Soitec CEA-Leti e o Helmholtz Center
Berlin anunciaram conjuntamente em setembro de 2013 terem alcanccedilado o recorde mundial
de rendimento em uma ceacutelula solar alcanccedilando uma conversatildeo de energia com 447 de efi-
ciecircncia [Fraunhofer ISE 2013]
Entretanto as tecnologias mais eficientes satildeo ainda muito caras para o alcance do puacutebli-
co em geral Mesmo assim existem meios de utilizaccedilatildeo da energia solar acessiacuteveis para tare-
fas domeacutesticas ou de pequena escala Um exemplo foi o secador de frutas montado na Quinta
da Estacircncia Grande em Viamatildeo-RS onde o ar eacute aquecido pela placa metaacutelica que coleta radi-
accedilatildeo solar e eacute elevado para a cacircmara de secagem naturalmente por empuxo
Figura 1 Secador de frutas montado na Quinta da Estacircncia Grande
O objetivo deste trabalho eacute a otimizaccedilatildeo do coletor de energia solar para uma maior efi-
ciecircncia no aquecimento do ar Seraacute construiacutedo um protoacutetipo com menores dimensotildees tendo
como objetivo uma maior diferenccedila de temperatura sem a diminuiccedilatildeo excessiva da vazatildeo
observando a anulaccedilatildeo de vazamentos e miacutenima ocorrecircncia de perda de carga
2
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por
energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes
em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs
utilizando uma placa de 2 msup2
Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-
tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor
com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs
Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-
perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2
Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-
dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia
solar
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
31 Termodinacircmica
Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)
119901119881 =119898
119872119877119879
(1)
Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-
demos dizer que
120588 =119901119872
119877119879
(2)
Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-
ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia
32 Transferecircncia de calor
O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo
para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute
perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna
como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente
Fazendo o balanccedilo de energia temos
119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)
A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia
distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-
rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do
coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
2
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
Hirunlabh et alii 1999 demonstraram a efetividade do uso de aquecimento de ar por
energia solar utilizando placas metaacutelicas aplicando o meacutetodo para a ventilaccedilatildeo de ambientes
em climas tropicais O estudo conseguiu produzir uma vazatildeo maacutessica entre 001 e 002 kgs
utilizando uma placa de 2 msup2
Alvarez et alii 2004 construiacuteram um coletor solar para aquecimento de ar a partir de la-
tas de alumiacutenio recicladas conseguindo um aproveitamento de 74 na transferecircncia de calor
com uma vazatildeo maacutessica de 0033 kgs
Kopp e Lean 2011 aproximaram que a constante solar valor de radiaccedilatildeo solar na su-
perfiacutecie terrestre utilizado para fins de engenharia tem seu valor igual a 13608 05 Wmsup2
Finalmente Hakan et alii 2013 apresentam uma revisatildeo do histoacuterico do uso de aquece-
dores solares e uma anaacutelise de energia e exergia aplicada aos aquecedores de ar por energia
solar
3 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA
31 Termodinacircmica
Assumindo o ar como gaacutes ideal podemos dizer que ele eacute regido pela equaccedilatildeo (1)
119901119881 =119898
119872119877119879
(1)
Como a massa especiacutefica de um componente eacute a massa total sobre o volume total po-
demos dizer que
120588 =119901119872
119877119879
(2)
Onde eacute a massa especiacutefica p a pressatildeo local M a massa molar R a constante dos ga-
ses e T a temperatura em que se encontra a substacircncia
32 Transferecircncia de calor
O coletor funciona basicamente absorvendo radiaccedilatildeo solar e transferindo por convecccedilatildeo
para o ar interior Depois que se atinge o regime permanente do sistema parte dessa energia eacute
perdida por conduccedilatildeo pelas laterais pelo fundo e pela placa de vidro superior e parte retorna
como radiaccedilatildeo para o ambiente Todo o resto eacute transferido para o ar escoando internamente
Fazendo o balanccedilo de energia temos
119877119890119888 = 119860119903 + 119875119890119903119889 (3)
A bancada experimental constitui-se de um conjunto de N lacircmpadas de P de potecircncia
distribuiacutedas em uma aacuterea de largura X e comprimento Y disposta paralelamente ao plano supe-
rior da caixa coletor a uma distacircncia L Como as dimensotildees satildeo aproximadamente iguais agraves do
coletor pode-se aproximar o fator de forma FBC pela equaccedilatildeo (4)
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
3
119865119861119862 =2
120587ln [radic
(1 + 2)(1 + 2)
1 + 2 + 2] + (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2
+ (radic1 + 2) tanminus1
radic1 + 2minus tanminus1 minus tanminus1
(4)
Onde
=119883
119871
(5)
=119884
119871
(6)
O fator de forma FBC determina o quanto da energia emitida efetivamente chegaraacute agrave su-
perfiacutecie superior do coletor assumindo absortividade do ar externo igual a zero Sendo assim
podemos dizer que
119877119890119888 = 119865119861119862119873119875 (7)
O ar que entra no coletor a uma temperatura Te e sai a uma temperatura Ts Tendo o ar
um calor especiacutefico meacutedio cp pode-se dizer que
119860119903 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) (8)
Assim a equaccedilatildeo 1 fica
119865119861119862119873119875 = 119888119901(119879119904 minus 119879119890) + 119875119890119903119889 (9)
A eficiecircncia do coletor eacute dada pela razatildeo entre a energia recebida e o calor efetivamente
passado para o ar ou seja
=119888119901(119879119904 minus 119879119890)
119865119861119862119873119875
(10)
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
4
A Figura 2 mostra aplicaccedilatildeo da primeira lei da termodinacircmica no aquecedor de ar sen-
do que as linhas amarelas representam o calor radiante incidente sobre o coletor (119877119890119888) as
linhas cinzas o fluxo de calor convectivo que aquece o ar (119860119903) as linhas vermelhas o fluxo
de calor natildeo aproveitado para aquecer o ar (119875119890119903119889)
Figura 2 Demonstraccedilatildeo dos fluxos de calor ao aplicar a 1ordm lei termodinacircmico no aquecedor de
ar
33 Tubo de Pitot
O tubo de Pitot eacute um instrumento de mediccedilatildeo de velocidade de escoamento a partir da
comparaccedilatildeo entre as pressotildees estaacutetica e dinacircmica do escoamento em um determinado ponto
O tubo tem uma ponta disposta na mesma direccedilatildeo do escoamento causando um ponto de es-
tagnaccedilatildeo que obteacutem a pressatildeo dinacircmica A outra ponta estaacute ligada a uma tomada de pressatildeo
na parede do duto que obteacutem a pressatildeo estaacutetica
Figura 3 Esquematizaccedilatildeo do tubo de Pitot [SMITH SCHNEIDER 2011]
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
5
A deduccedilatildeo de SMITH SCHNEIDER 2011 mostra que podemos obter a veloci-
dade do fluido no ponto de mediccedilatildeo a partir da equaccedilatildeo de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da
imagem resultando na equaccedilatildeo
1199061 = radic
2(1199012 minus 1199011)
120588 [1 minus (11986321198631)4
]
(12)
34 Meacutetodo das aacutereas iguais
O caacutelculo assume uma velocidade meacutedia ao longo da secccedilatildeo transversal do escoamento
pois o escoamento pode apresentar um perfil irregular que pode ocasionar erros de mediccedilatildeo
caso a velocidade seja medida em apenas um ponto Podemos utilizar o meacutetodo das aacutereas
iguais para a mediccedilatildeo da velocidade meacutedia do escoamento
=sum119908119894 ∙ 119906119894
119899
119894=1
(11)
Na tabela a seguir satildeo mostrados os raios adimensionais r e os pesos w para cada ponto
de mediccedilatildeo pelo meacutetodo das aacutereas iguais para 2 e 3 pontos
Tabela 1 Raios adimensionais e pesos utilizados para o caacutelculo de velocidade meacutedia pelo meacute-
todo das aacutereas iguais [SMITH SCHNEIDER 2011]
Quantidade de pontos
de mediccedilatildeo
n
Cotas do meacutetodo das aacutereas iguais
r w
2 05000 12
08660 12
3
04082 13
07071 13
09129 13
35 Incertezas de mediccedilatildeo
Os instrumentos de mediccedilatildeo fornecem dados aproximados de uma grandeza de um fe-
nocircmeno Logo haacute uma divergecircncia entre o valor medido e o valor real Esta diferenccedila eacute o erro
associado agrave mediccedilatildeo podendo ser causado tanto por fenocircmenos aleatoacuterios quanto por proble-
mas na instrumentaccedilatildeo
36 Propagaccedilatildeo de incertezas
Eacute comum apoacutes a mediccedilatildeo de um experimento utilizar os dados coletados para calcular
outras grandezas Ao se fazer isto as novas grandezas satildeo acompanhadas com os erros das
variaacuteveis utilizadas Para calcular este novo erro gerado se utiliza a equaccedilatildeo de Kline e
McClintock
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
5
120596119891 = radic(120597119891(119909 119910)
120597119909∙ 120596119909)
2
+ (120597119891(119909 119910)
120597119910∙ 120596119910)
2
(13)
4 TEacuteCNICAS EXPERIMENTAIS
41 Problemas experimentais
A configuraccedilatildeo da bancada experimental fornece uma simulaccedilatildeo da radiaccedilatildeo solar atra-
veacutes de um banco de 17 lacircmpadas incandescentes de 200 W disposto paralelamente a 02 m do
coletor solar A admissatildeo de ar seraacute realizada por um ventilador centriacutefugo na frequecircncia de
20 Hz e os dutos acoplados ao coletor possuem mais de 1 m (10 diacircmetros) de comprimento
antes de cada tomada de medida com o objetivo de deixar o escoamento desenvolver-se com-
pletamente As dimensotildees predeterminadas do protoacutetipo foram de 1 m de comprimento 03 m
de largura e 015 m de altura
Figura 4 Bancada de testes montada para a experimentaccedilatildeo do protoacutetipo
42 Calibraccedilatildeo do sensor NTC
O sensor resistivo de temperatura NTC o qual foi utilizado na aquisiccedilatildeo de dados da
bancada experimental foi calibrado por comparaccedilatildeo com um sensor PT-100 de referecircncia
com curva de calibraccedilatildeo conhecida Os dados coletados estatildeo representados na Tabela 2
Tabela 2 Dados coletas na calibraccedilatildeo do NTC 1 e NTC 2
Calibraccedilatildeo
PT 100 [Ω] Temperatura [ordmC] NTC 1 [Ω] NTC 2 [Ω]
1300 794 790 740
1283 749 940 875
1254 672 1231 1132
1237 626 1393 1294
1219 579 1651 1530
1216 571 1672 1552
1197 520 1997 1849
1183 483 2255 2086
1176 464 2390 2212
1168 443 2600 2404
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
6
Com os dados adquiridos se fez o ajuste de curva utilizando-se da equaccedilatildeo de Steinhart-
Hart para calibraccedilatildeo de termistores [STEINHART HART 1968] resultando nas seguintes
equaccedilotildees
1198791198731198791198621 =1
0001889 + 00001981 ln119877 + 00000009(ln 119877)3
1198791198731198791198622 =1
00019088 + 00001962 ln 119877 + 0000001(ln 119877)3
(15)
(14)
Onde R 1198791198731198791198621e 1198791198731198791198622 correspondem respectivamente agrave resistecircncia agrave temperatura calcu-
lada a partir do NTC 1 e agrave temperatura calculada a partir do NTC 2 Nas equaccedilotildees se utilizou
a resistecircncia como variaacutevel independente apenas para facilitar o caacutelculo da temperatura nas
futuras mediccedilotildees
Figura 5 curva de calibraccedilatildeo dos resistores NTC 1 (azul pontos medidos em cruz) e NTC 2
(verde pontos medidos em ciacuterculo)
43 Caso
O desenvolvimento do protoacutetipo com maior eficiecircncia ocorre sobre o sistema de aque-
cimento de ar da Figura 6 O funcionamento acontece com o calor radiante solar sendo absor-
vido pela placa metaacutelica preta que posteriormente aquece o ar por convecccedilatildeo
1157 414 2874 2659
1145 382 3242 3001
1139 366 3458 3195
1090 236 5500 5020
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
7
Figura 6 Aquecedor solar montado (a) e uma visatildeo do sistema interno (b)
46 Desenvolvimento do protoacutetipo
O desenvolvimento do coletor solar consiste em aumentar o aquecimento do ar sem
alterar significativamente a obstruccedilatildeo da passagem de ar Portanto o desenvolvimento do pro-
toacutetipo foi a busca do equiliacutebrio destes dois quesitos antagocircnicos
Para haver maior captura de energia solar radiante incidente sobre o coletor foi alterada
a geometria da superfiacutecie interna de maneira que seu fator de forma em relaccedilatildeo agrave superfiacutecie de
vidro fosse reduzido pois assim uma parcela maior do calor emitido pela superfiacutecie escura
seria novamente absorvida pelo coletor A cor da superfiacutecie continuou preta para manter a
mesma absortividade
A segunda hipoacutetese acerca da geometria foi de que a superfiacutecie interna deveria ser es-
tendida para ocorrer maior troca de calor por convecccedilatildeo para o ar Vaacuterias geometrias atendem
as premissas apresentadas poreacutem foi escolhido utilizar dutos longitudinais de parede fina
para natildeo causar grande perda de carga e para diminuir a resistecircncia condutiva do exterior para
o interior dos dutos
O segundo fator a ser estudado foi a respeito material do coletor Escolheu-se fabricar as
paredes externas de madeira Pinus pois devido agrave sua baixa condutividade teacutermica o fluxo de
calor perdido atraveacutes destas superfiacutecies seria pequeno Contudo um material com alta condu-
tividade teacutermica poderia conduzir o calor mais uniformemente da regiatildeo superior para a infe-
rior do coletor favorecendo o aquecimento do ar Portanto foi determinado que como materi-
al interno o alumiacutenio satisfaria esse objetivo
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
8
Como a motivaccedilatildeo para o trabalho proveio de um secador de frutas ecoloacutegico pois uti-
liza apenas energia solar foi percebido que a utilizaccedilatildeo de latas de alumiacutenio reaproveitadas
seria uma boa saiacuteda para manter um padratildeo de baixo custo e o objetivo de evitar impacto ao
meio ambiente
As imagens seguintes mostram como foi utilizado o alumiacutenio nos duto e nas paredes
internas laterais e inferiores
Figura 7 Montagem dos dutos a partir de latas reutilizadas
Figura 8 Interior dos dutos
9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
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eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
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2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
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SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
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NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
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9
Figura 9 cobertura da superfiacutecie interna com alumiacutenio retirado de latas reaproveitadas
Figura 9 Sistema interno do protoacutetipo montado
47 Procedimento experimental
Inicialmente foram obtidos os valores que seriam considerados constantes do problema
Tabela 3 Dados constantes e propriedades fiacutesicas utilizadas nos caacutelculos
Dados do Problema
Comprimento interno do coletor X [m] 1
Largura interna do coletor Y [m] 03
Distacircncia da bancada luminosa L [m] 02
Potecircncia das lacircmpadas P [W] 200
Nuacutemero de lacircmpadas N 17
Diacircmetro do duto [mm] 100
Diacircmetro do tubo de Pitot [mm] 7
Constantes e propriedades fiacutesicas
Pressatildeo atmosfeacuterica [kPa] 101325
Massa molar do ar [gmol] 2897
Calor Especiacutefico do ar cp [kJ(kg K)] 1005
Constante dos gases [kJ(kmol K)] 8314462100000075
Fator de conversatildeo mmCa-Pa [PammCa] 9807
10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
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KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
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POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
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10
As resistecircncias dos termistores foram medidas com o multiacutemetro do LETA (Politerm
POL-777 ou UT71E) e utilizando as funccedilotildees de interpolaccedilatildeo (15) e (14) foram calculadas as
temperaturas do NTC 1 e NTC2 respectivamente Com o tubo de Pitot foi medida a pressatildeo
cineacutetica do escoamento em trecircs pontos distintos ao longo do raio do duto A partir dos dados
coletados foi calculada a velocidade do escoamento equaccedilatildeo (12) em cada ponto para en-
tatildeo utilizando o meacutetodo das aacutereas iguais - equaccedilatildeo (11) - obter-se a velocidade meacutedia e a
vazatildeo do escoamento
A incerteza de mediccedilatildeo da resistecircncia do NTC foi calculada conforme indicado no ma-
nual fabricante do multiacutemetro (Tabela 4) Deve-se observar que durante a calibraccedilatildeo se consi-
derou que o PT-100 fornecia valores reais de temperatura O erro associado agrave temperatura foi
calculado conforme indicado na seccedilatildeo 36 Devido a falta de informaccedilotildees sobre o manocircmetro
utilizado se considerou que o erro associado agrave mediccedilatildeo de pressatildeo era de 01 mmCa que cor-
responde agrave resoluccedilatildeo do instrumento
Tabela 4 Incerteza de mediccedilatildeo do multiacutemetro Politerm POL-777
Multiacutemetro UT71E
Range Resolution Accuracy
400 Ω 001 Ω (03+8)+test leads short circuit value
A propagaccedilatildeo das incertezas no caacutelculo das grandezas posteriores foi calculada confor-
me a seccedilatildeo 36 As incertezas da pressatildeo atmosfeacuterica da massa molar do ar e do calor especiacute-
fico do ar foram consideradas iguais a 0 por tratarem-se de valores padronizados que podem
variar de acordo com o ambiente onde o experimento eacute realizado A incerteza da constante dos
gases foi considerada mesmo que afete pouco a incerteza final Tambeacutem natildeo foram conside-
radas as incertezas das dimensotildees do tubo de Pitot e do duto de saiacuteda do ar
48 Resultados
Os resultados das mediccedilotildees e dos caacutelculos realizados no ensaio experimental com o
NTC1 NTC2 e tubo de Pitot podem ser vistos na Tabela 5 e 6 O NTC 1 mensurava a tempe-
ratura do ar de admissatildeo do aquecedor solar enquanto o NTC 2 a temperatura de descarga
Tabela 5 Valores calculados de temperatura a partir das mediccedilotildees utilizando o NTC
Resistecircncia [Ω] Temperatura [ordmC] T [degC]
NTC 1 5210 plusmn1673 25015637 plusmn00874 21426035 plusmn 01338
NTC 2 2240 plusmn0782 46441672 plusmn01013
Tabela 6 Valores encontrados com o tubo de Pitot
r Diferenccedila de Pressatildeo
[mmCA]
Diferenccedila de Pressatildeo
[Pa]
04 12 plusmn 01 1176798 plusmn 09807
07 1 plusmn 01 980665 plusmn 09807
09 08 plusmn 01 784532 plusmn 09807
Utilizando a equaccedilatildeo (1) foram calculadas as massas especiacuteficas do ar nas temperaturas
de entrada e de saiacuteda desprezando-se a diferenccedila de pressatildeo A Tabela 7 mostra os valores
encontrados
11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
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FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
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HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
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Brasil
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BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
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11
Tabela 7 Valores calculados na rotina de caacutelculo para as vazotildees
Rotina de Caacutelculo de Vazatildeo
s [kgmsup3] 110468 11x10-6
ui [ms]
R
04 461595 019233
07 421376 021068
09 376890 023555
ui [ms] 419954 012331
A [msup2] 785398x10-3
m [kgs] 36438x10-3 107x10-3
Para o caacutelculo da energia foram realizados os caacutelculos a partir das equaccedilotildees da seccedilatildeo
32 resultando nos seguintes valores
Tabela 8 Valores calculados na rotina de caacutelculo de transferecircncia de calor
Rotina de Caacutelculo de Transferecircncia de Calor
X 5
Y 15
FBC 04613
qRec [W] 15684
qAr [W] 7845 235
50
3 CONCLUSAtildeO
O desenvolvimento do aquecedor de ar foi baseado de forma intuitiva nos fundamentos
de mecacircnica dos fluidos e transferecircncia de calor As modificaccedilotildees se restringiram somente na
geometria e no material da superfiacutecie interna Contudo foram suficientes para se obter a efici-
ecircncia teacutermica de 50 uma diferenccedila de temperatura de 2143degC A perda de carga foi tal que
permitiu uma vazatildeo maacutessica de 364x10-3 kgs Como resultado final o calor efetivamente
transferido para o ar se mostrou igual a 7845 W com uma incerteza associada de 235 W
Como continuidade ao trabalho se recomendaria realizar anaacutelise auxiliada com simula-
ccedilatildeo numeacuterica verificando detalhadamente o efeito causado por cada alteraccedilatildeo empregada
Tambeacutem pode-se alterar o material da superfiacutecie interna para cobre a fim de uniformizar a
distribuiccedilatildeo de temperatura ou seguindo o pensamento ecoloacutegico do aquecedor solar modifi-
car a superfiacutecie transluacutecida de vidro por outra fabricada a partir de garrafas PET
12
REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
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REFEREcircNCIAS
ALVAREZ et alii Thermal performance of an air solar collector with an absorber plate
made of recyclable aluminum cans Solar Energy 2004 vol 77 pp 107 a 113
BRIGHT SOURCE ENERGY
httpwwwbrightsourceenergycomstuffcontentmgrfiles08a69e55a233e0b7edfe14b9f77f5
eb8dfolderivanpah_fact_sheet_3_26_14pdf acessado em 03072014
FRAUNHOFER ISE Press Release 23092013 Freiburg Alemanha
httpwwwisefraunhoferdeenpress-and-mediapress-releasespresseinformationen-
2013world-record-solar-cell-with-447-efficiency acessado em 03072014
HIRUNLABH et alii Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under
tropical climate Renewable Energy 1999 Vol 18 pp 109 a 119
KOPP G LEAN J L A new lower value of total solar irradiance evidence and climate
significance Geophysical Research Letters 2011 Vol 38
POLITERM INSTRUMENTOS DE MEDICcedilAtildeO LTDA Especificaccedilotildees teacutecnicas do multiacute-
metro digital POL-777
httpwwwpolitermcombrEshopAdminImagenspolitermFolheto-Multimetro-Digital-
POL---777pdf acessado em 06072014
SMITH SCHNEIDER P Mediccedilatildeo de Velocidade e Vazatildeo em Fluidos 2011 Porto Alegre
Brasil
STEINHART J S HART S R Calibration curve for Thermistors Deep-Sea Research
1968 VoL 15 pp 497 a 503
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
NASA Earth Fact Sheet httpnssdcgsfcnasagovplanetaryfactsheetearthfacthtml aces-
sado em 03072014
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY ndash NIST Fundamental
Physical Constants Molar Gas Constant httpphysicsnistgovcgi-
bincuuValuer|search_for=gas+constant acessado em 04072014
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