06 TCC- Modelo Relatório (Aquecedor Solar 2018)

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TCC – TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
MODELO DE AQUECEDOR SOLAR
Autores: Conceição da Fonseca Santos[1: UNIFACS. Departamento de Engenharia. 1° autor, turma 2016.2 do Curso de Engenharia Mecânica. E-mail: namd@hotmail.com]
Vinícius Camelo Molinari[2: UNIFACS. Departamento de Engenharia. 2° autor, turma 2016.2 do Curso de Engenharia Mecânica. E-mail: ]
Orientador: Jardel Santos de Jesus[3: UNIFACS. Departamento de Engenharia. Jardel Santos de Jesus, Professor das disciplinas Metrologia, Introdução à engenharia, Máquinas Térmicas. E-mail: jardel.jesus@unifacs.br]
RESUMO
O aquecedor solar trabalha com trocas térmicas entre dois fluidos com temperaturas diferentes, tendo o sol como fonte de energia limpa e renovável para aquecer o fluido. Os aquecedores comercializados hoje em dia são compostos por boiler e coletores. Portanto, um esforço considerável tem sido feito nos últimos anos, a fim de obter um aquecedor solar de baixo custo. Neste contexto, no presente trabalho será relatado os aquecedores solares desenvolvidos, possibilitando aos leitores uma maior compreensão a respeito de aquecedor solar. Além disso, será construído um aquecedor solar, com a finalidade de diminuir a demanda energética e como consequência benefícios ambientais e econômicas para seus usuários.
Palavras-chaves: Trocador de calor, aquecedor solar, analise térmica.
ABSTRACT
The solar heater works with heat exchange between two fluids with different temperatures, with the sun as a source of clean, renewable energy to heat the fluid. The heaters sold today consist of collectors and boiler. Therefore, considerable effort has been made in recent years in order to obtain a solar water heating. In this context, this work will be reported developed solar heaters, allowing readers a greater understanding about solar heater. Furthermore, a solar heater, in order to decrease the energy demand and result in economic and environmental benefits to users is built.
Keywords:. Heat exchangers, Solar heater, Thermal analysis.
1 INTRODUÇÃO
Os trocadores de calor, como o próprio nome sugere, são equipamentos destinados a troca térmica entre dois fluidos ou entre um fluido e um sólido separados por uma superfície. Destinados a uma infinidade de aplicações, desde a indústria química até a recuperação de calor em processos industriai, esses trocadores podem ser classificados de acordo com o seu escoamento e tipo de construção. Dentre esses trocadores de calor, os principais tipos são: tubos concêntricos (bitubular), casco e tubo, e de placas.
Entretanto, controlar este sistema significa projetar o permutador de tal maneira que se aproxime a uma resposta ideal do equipamento, ou seja, uma troca térmica com alta eficiência e baixo custo. Para que isso aconteça, em primeira instância, deve-se analisar qual permutador é mais adequado para o desenvolvimento de um aquecedor solar, visando atender os critérios de desempenho da máquina, tais como: temperaturas, vazão e pressão, estudar as propriedades do fluido como calor específico, densidade e viscosidade. Escolher o modelo, determinar a área, dimensões, para obter a mudança de temperatura desejada no fluido e os materiais que serão utilizados na confecção. 
O principal objetivo desse projeto é contribuir para a aquisição de conhecimento sobre aquecedores solares e também a viabilidade econômica do mesmo. Os aquecedores solares captam a radiação proveniente do sol para aquecer a água e, por ser o sol uma fonte de energia limpa, renovável, isso acarreta na diminuição da demanda energética, com benefícios econômicos e ambientais.
Segundo Rodrigues e Matajs (2005), o uso do aquecedor solar ajuda a diminuir o ritmo do aumento da temperatura da camada de ozônio, por causa da redução das emissões de gás carbônico, devido à utilização de outros tipos de energia fontes, ou seja, tem como benefício ambiental o uso desse sistema. Esse tipo de tecnologia é construído basicamente por um coletor (plano ou com tubos a vácuo) e um boiler 
2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA 
2.1. Transferência de calor 
Para melhor desenvolvimento do projeto do aquecedor solar, utiliza-se, principalmente, os alicerces teóricos e práticos de Física II, Fenômenos de Transportes I, Fenômenos de Transportes II e Projeto Ferramenta, mais especificamente, as trocas térmicas e interação universidade-comunidade. Com o intuito de entender o funcionamento do aquecedor solar, foram analisados elementos principais sobre o aquecedor solar (trocas térmicas e coletores solar). 
Transferência de calor ocorre quando dois corpos ou mais estão com temperaturas diferentes, ou seja, ocorre transferência de energia entre os mesmos. Por exemplo, para um sistema atingir um equilíbrio térmico, dois corpos de temperaturas diferentes são colocados em contato até que eles tenham a mesma temperatura, quando um corpo libera calor e o outro tem sua temperatura aumentada.
 Segundo Incropera (2008), existe três formas distintas de transferência de calor: por condução, convecção e radiação.
Tipos de trocas térmicas 
Condução – Na condução a transferência de calor ocorre em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou fluido. Nesse sistema, a troca térmica ocorre ente os átomos e moléculas através da movimentação dos mesmos, ocorrendo uma colisão. O resultado desse processo é que moléculas com maiores energia cinéticas transferem calor para as moléculas com menor temperatura. Para ocorrer a condução termina depende do que o material é feito, ou seja, se são isolantes térmicos ou condutores térmicos (FREIRE, 2005).
Figura 1- Modelo de Condução: Condução através de um fluido sólido ou estacionário 
Fonte: Incropera, 2008.
Convecção – É quando a transferência de calor ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície em diferentes temperaturas, ou seja, envolvendo transporte de matéria. Por exemplo, se a temperatura é inversamente proporcional à densidade, então, quanto maior a temperatura, menor a densidade. Com isso existe a circulação dos fluidos através da densidade do mesmo em que o mais frio desce e o mais quente sobe até atingir o equilíbrio térmico (FREIRE, 2005).
 No entanto, existem duas formas de transferência de calor por convecção: a forçada e a natural, como se pode observar nas Figuras 2 e 3, respectivamente. 
Convecção natural: o escoamento do fluido é conduzido por força de empuxo, que se dá por diferença de densidade, causado por variação de temperatura ( OLIVEIRA, 2008).
Convecção forçada: o escoamento induzido é causado por meios externos. Exemplo: bombas, sopradores, ventiladores, dentre outros.
Figura 2-- Convecção Natural
Fonte: Incropera,2008
Figura 3- -convecção forçada 
Fonte: Incropera,2008
Convecção com mudança de fase: escoamento associado à troca de calor latente, ou seja, mudança de fase entre os estados vapor e líquido. Na Figura 04 tem-se o modelo de convecção com mudança de fase. 
Figura 4- Modelo de Convecção com mudança de fase. 
Fonte: Incropera,2008
Radiação – Ocorre quando a energia é emitida na forma de ondas eletromagnéticas e, na maioria das vezes, essa energia pode ser transformada em energia térmica (FREIRE, 2005).
Taxa de transferência de calor
A taxa de transferência de calor é utilizada para calcular a quantidade de energia que está sendo transferida por unidade de tempo. Basicamente, a taxa é uma só, como demostrada na Equação 1 (Apêndice A), o que muda é o fluxo de transferência calor de cada Tipo de transferência, ou seja, existirá um fluxo de transferência calor para Condução, Convecção e Radiação, como são respectivamente demostrados nas Equações 2 ,4 e 7 (Apêndice A). Como consequências de seus fluxos térmicos diferentes, as taxas de transferências de calor serão também diversas (tais taxas estão demostradas nas Equações 3 ,5 e 8, no Apêndice A). 
2.2. Tipos de trocadores de calor 
Os permutadores ou trocadores de calor são dispositivos que efetuatroca térmica entre fluidos com temperaturas diferentes separados por uma superfície. Essa troca térmica tem a finalidade de atender à exigência de um processo, sendo ele para aquecer ou resfriar. Por esse motivo a sua aplicação está destinada a variados processos, desde a indústria química até componentes do sistema automotivo 
 Segundo Incropera (2008), os trocadores de calor são classificados de acordo com o tipo de escoamento e o tipo de construção. Os principais modelos de permutadores são casco e tubo, tubos concêntricos e de placas. 
Trocadores casco e tubo:
Esse tipo de trocador (Figura 05) é classificado de acordo com o número de passe no casco e no tubo. A troca térmica acontece através da parede da superfície, em que ele é constituído de casco cilindro que contém tubos no seu interior (VIEIRA; SCHÄFER; SOUZA, 2011). 
Figura 5- Trocador de calor casco e tubo
 Fonte: INCROPERA 2008
Trocadores Concêntricos: 
Os trocadores de calor do tipo tubos concêntricos (Figura 6) são constituídos por dois tubos ou superfícies que têm o mesmo centro, sendo o seu princípio de funcionamento baseado na troca térmica entre os fluidos, em que um dos fluidos escoam pelo tubo interno e o outro pela região anular entre tubos dispostos em contra fluxo. As principais vantagens referentes a esse tipo de equipamento são justamente pela facilidade de projeto e montagem, atrelado à facilidade de limpeza, além da flexibilidade entre ampliação ou redução da área. 
Figura 6-Trocadores de calor tubos concêntricos (escoamento paralelo e contracorrente)
Fonte: INCROPERA 2008
	
2.3 Dimensionamentos de trocadores de calor
 Para análise de cálculo existem dois métodos para o dimensionamento de trocadores de calor que são MLDT e NUT. O primeiro é utilizado para situações em que se tem certeza das temperaturas de entrada e saída, já o segundo é requerido quando se tem a dimensão do mesmo.(VIEIRA; SCHÄFER; SOUZA, 2011).
3. METODOLOGIA
3.1 Método MLDT
Para se projetar um trocador de calor é necessário ter métodos para se efetivar seu cálculo. Porém, a dificuldade na escolha de um aquecedor solar e relacionar com as suas dimensões, a fim de determinar a área superficial de transferência de calor pode-se usar o método média logarítmica por diferença de temperatura (MLDT). Os tubos concêntricos de escoamento contracorrente e paralelo mostrados abaixo na Figura (07) para cada sistema, existem um coeficiente de película particular, com suas temperaturas (entrada e saída). 
Figura 7- Escoamento contracorrente e paralelo.
 Fonte - Çengel e Ghajar (2012).
Algumas hipóteses devem ser levadas em consideração para se obter as diferenças de temperatura entre os dois fluidos do sistema: o coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o comprimento da trajetória, o calor específico é constante em todos os pontos da trajetória, não existem mudanças de fase parciais no sistema e as perdas de calor são desprezíveis. Depois desse levantamento se tem a Equação 9.1 (Apêndice A). (MATTJIE; RISTOF; MICHELS, 2013)
3.2 Método NUT	
Como não se sabe a taxa máxima de transferência de calor, é preciso defini-la: com base na Equação 10.1 (Apêndice A), sendo Cmin a menor capacidade calorífera. Portanto, o desempenho do NTU e dado na Equação 10.3 (Apêndice A). Existem dois tipos de escoamento para tubos concêntricos analisar este dois casos nas Equações 10.4, 10.5 e 10.6 (Apêndice A). Como já foi abordado no texto, sabemos que, no escoamento contracorrente, os fluidos escoam em sentidos opostos e isso resulta em uma diferença de temperatura maior quando comparado ao com fluxo paralelo (VIEIRA; SCHÄFER; SOUZA, 2011)
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 14724: Informação e documentação. Trabalhos Acadêmicos – Apresentação. Rio de Janeiro: ABNT, 2002. 
AMADEU, D. I.; NETO, M. H. DE M. Professora da Rede Estadual de Ensino do Estado do Paraná, participante do Programa de Desenvolvimento Educacional (PDE), sob orientação da Profo Marcílio Hubner de Miranda Neto. p. 1–23, [s.d.]. 
COSTA, PATRÍCIA; SOUZA, PLÍNIO; BELOZO, ROBERTO; MAGALHÃES, RODRIGO; AZZI, VINICIUS. Aquecedor Solar de Baixo Custo (ASBC), disponível em:<http://becn.ufabc.edu.br/guias/energia/resumo/EN_F3_N_02.pdf> - acessado em: 07 de Agosto de 2016.
CHEN, Bete. Manual técnico para projeto e construção de sistemas de aquecimento solar & gás natural. Sistemas de Aquecimento de Água para Edifícios através da associação Solar.
EQUIPE SEMPRESUSTENTÁVEL CRIAÇÃO, P&D E DISSEMINAÇÃO EM TECNOLOGIA DE BAIXO CUSTO, Aquecedor Solar de água feito com tubos de pvc, disponível em: <http://www.sempresustentavel.com.br/solar/aquecedor/aquecedor-solar.htm> - acessado em: 06 de Agosto de 2016.
FAZ FÁCIL, Aquecedor Solar de Baixo Custo!, disponível em: <http://www.fazfacil.com.br/reforma-construcao/aquecedor-solar-baixo-custo/>- acessado em: 09 de Agosto de 2016
FREIRE, M. L. DE F. A, Transferência de Calor com o Uso de Experimentos Alternativos. v. 1, 2005. 
INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P.; BERGMAN, T.L.; LAVINE, A.S. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa.6ª edição. Rio de Janeiro: LTC,2008. 643 p.
OLIVEIRA, L.L.D. , TRANSMISSÃO DE CALOR Convecção forçada e natural. , [2006]. 
MATTJIE, C. A.; RISTOF, R.; MICHELS, A. Projeto de um trocador de calor para resfriamento de fluido em um circuito hidráulico utilizado na agricultura de precisão. Semana Internacional das Engenharias da Fahor, v. 3, p. 1–10, 2013. 
OLIVEIRA, Natália Maira Braga; DAMASCENO, João Jorge Ribeiro; VIEIRA, Luiz Gustavo Martins. APRIMORAMENTO DE AQUECEDORES SOLARES DE BAIXO CUSTO. Uberlândia – MG 2010
Soletrol Indústria e Comércio LTDA, O que é e Como Funciona o Aquecedor Solar de Água Soletrol,disponível em:<http://www.soletrol.com.br/extras/como-funciona-o-aquecedor-solar-soletrol/>- acessado em: 09 de Agosto de 2016.
VIEIRA, E. B. F.; SCHÄFER, L. B.; SOUZA, P. O. DE. Projeto de um trocador de calor para arrefecimento de mosto de cerveja. Universidade Federal Do Rio Grande Do Sul Escola De Engenharia Mecânica, p. 17, 2011. 
TSUTIYA, Milton Tomoyuki. Redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água. São Paulo: ABES, 2006.
Apêndice A
	
Equações
	
Descrição
	
Taxa de transferência de calor (Equação 1)
	
q = q´´ A
q´´- Fluxo térmico []
A – Área de troca térmica da superfície [ m² ]
	
Fluxo térmico por condução; Lei de Fourrier. (Equação 2)
	
q´´= K 
Logo se tem,q´´= K 
Onde:
q´´- Fluxo térmico por condução []
K – Condutividade térmica do material []
T1 – Temperatura superior [ k ]
T2 – Temperatura inferior [ k ]
L – Espessura do material [ m ]
	
Taxa de transferência de calor por Condução (Equação 3)
	q = K A 
q = q´´ A 
 ou 
q – Taxa de transferência de calor por Condução [ w ]
A – Área de troca térmica da superfície [ m² ]
	
Fluxo térmico por Convecção; Lei de Newton do resfriamento (Equação 4)
	q´´= hc (Ts-T∞)
Ts – Temperatura superfície [ k ]
T∞ – Temperatura fluido [ k ]
hc – Coeficiente de transferência de calor por convecção [ ]
	
Taxa térmica por Convecção (Equação 5)
	q = q´´ A 
q = A hc (Ts-T∞)
 ou 
q – Taxa de transferência de calor por Condução [ w ]
A – Área de troca térmica da superfície [ m² ]
	
Poder emissivo ideal; Lei de STEFAN-BOLTEMAN (Equação 6)
	Ei = Ϯ
Ϯ – Constante de STEFAN-BOLTEMANN [ ].
Ts – Temperatura absoluta da superfície [ k ].
Ei – Poder emissivo ideal []
	
Poder emissivo Real; Fluxo térmico por radiação (Equação 7)
	Er =ԐEi
Er =ԐEi ou Er =ԐϮ
Er – Poder emissivo real [].
Ԑ - Emissividade que tem valores entre 0 ≤ Ԑ ≤ 1
-Observação: O copo negro, elemento que absorve toda radiação incidente obre si, tem emissividade Ԑ = 1
	
Taxa térmica por Radiação (Equação 8)q = A ԐϮ (- ) ou q = A hr ( -)
q – Taxa de transferência de calor por convecção [ w ].
A – Área de troca térmica da superfície[ m² ].
Ts – Temperatura da superfície [ k ].
Tviz – Temperatura da vizinhança [ k ].
Ϯ – Constante de STEFAN-BOLTEMANN [ ] ; Ϯ = 
hr – Coeficiente de transferência de calor por radiação [ ].
	
Média Logarítmica por diferença de temperatura (MLDT) (Equação9)
	
 (Equação 9.1)
-Temperatura de entrada do fluído quente
- Temperatura de saída do fluído quente
- Temperatura de entrada do fluido frio
- Temperatura de saída do fluido frio
No trocador com escoamento de corrente paralela:
 = - = - 
No trocador com escoamento de contra- corrente:
 = - = - 
	
Método NUT (Equação 10)
	
Taxa máxima ()
 (Equação 10.1)
Efetividade(
 = (Equação 10.2)
Formula genérica do Nut :
Nut = (Equação 10.3)
Escoamento paralelo:
Nut = -(Equação 10.4)
Escoamento contra - corrente:
Nut = . Ln( )( (Equação 10.5)
Nut = () (Equação 10.6)