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FESURV – UNIVERCIDADE DE RIO VERDE FACUDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
EFICIÊNCIA DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA TUBULAR TIPO SIFÃO
SANDRO CÉLIO BARBOSA Orientador: Prof.Esp.CARLOS EDGAR PENARANDA LLANOS
Monografia apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica como exigência para a obtenção do titulo de bacharel em Engenharia Mecânica pela Universidade de Rio Verde.
RIO VERDE - GOIÁS 2012
FESURV – UNIVERCIDADE DE RIO VERDE FACUDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
EFICIÊNCIA DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA TUBULAR TIPO SIFÃO
SANDRO CÉLIO BARBOSA Orientador: Prof.Esp.CARLOS EDGAR PENARANDA LLANOS
Monografia apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica como exigência para a obtenção do titulo de bacharel em Engenharia Mecânica pela Universidade de Rio Verde.
RIO VERDE - GOIÁS 2012
FESURV UNIVERSIDADE DE RIO VERDE CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
EFICIÊNCIA DO AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA TUBULAR TIPO SIFÃO
SANDRO CÉLIO BARBOSA
Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do grau de BACHAREL EM ENGENHARIA MECÂNICA e aprovada em sua forma final.
_______________________________________________ Prof. Esp. Carlos Edgar Penaranda LLanos Orientador
Banca Examinadora:
____________________________________
____________________________________
Ms. João pires de Moraes
Drº. Warley Augusto Pereira
1° Membro da banca
2° Membro da banca
____________________________________ Ms. Giancarllo Ribeiro Vasconcelos Diretor da Faculdade de Engenharia Mecânica
RIO VERDE – GOIÁS 2012
DEDICATÓRIA
Dedico este curso a meus pais, minha esposa e meus filhos pelo apoio incondicional em todo momento e fases da minha vida, para a conclusão deste trabalho que sem eles não seria possível a realização deste objetivo. A Deus, acima de tudo, por ter me dado forças, garra e perseverança para vencer mais este desafio na minha vida.
AGRADECIMENTO
Agradeço a Deus pela dádiva da persistência, fé e saúde por todos esses anos, e por mais esta realização em minha vida, e meus pais Beijamim Barbosa e Maria Viana Barbosa, minha esposa Maria Conceição de Sousa Loiola e a meus filhos Alexsandro Barbosa da Silva e Wiviny Loiola Barbosa. Diante dos momentos de desânimo e cansaço souberam dar conselhos e tiveram tal paciência e insistência para continuidade do curso. Peço a Deus força e que ilumine meu caminho nesta nova etapa da minha vida e proteja todos os projetos e trabalhos que por mim sejam realizados.
RESUMO
BARBOSA S. C. Aquecedor solar de água – estudo da eficiência do aquecedor solar ASBC. 2012. 50f. Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica) – FESURV – Universidade de Rio Verde, 2012
Este projeto se refere a um aquecedor solar de baixo custo, no qual serão implementadas diversas melhorias em relação aos já existentes, visando um aumento na eficiência térmica do mesmo através do uso de energia renovável, materiais reciclados e artifícios utilizados durante a sua construção. No decorrer do projeto, foram realizados ensaios experimentais, de forma a definir as matérias primas empregadas em todas as partes e componentes do conjunto, bem como determinar os diversos artifícios usados para maximizar a eficiência térmica do conjunto, dentre os quais se podem citar: ângulo de incidência do sol na placa coletora; altura entre o reservatório e o coletor; material de revestimento do reservatório de água quente; bancada de comandos eletrônicos para comprovação da eficiência resultante; CLP, um cartão de conversão de temperatura, quatro termopar tipo j, para o computador usando o programa compatível que permitiu encontrar uma eficiência de 18,81%. Os resultados do projeto mostram que o uso da energia renovável e o uso de materiais recicláveis e consequentemente o pequeno investimento envolvido, podem favorecer efetivamente as camadas menos favorecidas.
PALAVRAS-CHAVE
Energia, Custo, Consumo, asbc, garrafa PET, coletor solar.
Orientador: Prof. Esp. Carlos Edgar Penaranda Llanos.
ABSTRACT
BARBOSA S. C. SOLAR WATER HEATER - STUDY OF THE EFFICIENCY OF SOLAR HEATER ASBC. 2012. 50f. Monograph (Undergraduate Mechanical Engineering) FESURV - University of Rio Verde, 2012.
This project involves a low cost solar water heater, which will be implemented several improvements over the existing one in order to increase the thermal efficiency of the same through the use of renewable energy, recycled materials and devices used during construction. During design, experimental trials were conducted in order to define the raw materials used in all parts and assembly components, and to determine the various devices used to maximize thermal efficiency of the set, among which we can cite: Angle incidence of the sun on the collector plate, height between the reservoir and the collector; coating material of the hot water tank, bench electronic commands to prove the resulting efficiency; PLC, a temperature conversion card, four thermocouple type j, for compatible computer using the program that allowed us to find an efficiency of 18.81%. The project results show that the use of renewable and recyclable materials and consequently the small investment involved, can effectively promote the most disadvantaged. KEY-WORDS
Energy, Cost, Consumption, ASBC, plastic bottles, solar collector.
Advisor: Prof. Esp. Edgar Carlos Penaranda Llanos.
LISTA DE TABELAS TABELA 1 Tarifa energia elétrica residencial – evolução das taxas de descontos por faixa de consumo 1989 a 1995.......................................................................... 18 TABELA 2 Tarifa de energia elétrica residencial................................................................. 18 TABELA 3 Materiais usados na montagem do projeto........................................................ 36 TABELA 4 Viabilidade e retorno de investimento.............................................................. 37 TABELA 5 Ângulo de inclinação da placa coletora............................................................. 39 TABELA 6 Temperatura registrada pelo termopar.............................................................. 42 TABELA 7 Resultado dos cálculos...................................................................................... 46
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1
Aquecedor solar de placas alveolar.................................................................20
FIGURA 2
Coletor solar convencional industrial................................................................. 20
FIGURA 3
Coletor solar plano aberto...............................................................................21
FIGURA 4
Coletor solar de tubos de vácuo......................................................................22
FIGURA 5
Universidade do sol.........................................................................................22
FIGURA 6
Aquecedor solar de garrafa PET caixa “ tetra pak”............................................ 24
FIGURA 7
Reservatório de água.......................................................................................25
FIGURA 8
Reservatório de água II................................................................................. 26
FIGURA 9
Válvula de controle de fluxo de água............................................................ 27
FIGURA 10
Teste da válvula de controle de fluxo de água.................................................... 28
FIGURA 11
Reservatório de água........................................................................................ 29
FIGURA 12
Molde (gabarito) para o corte da garrafa PET................................................30
FIGURA 13
Molde (gabarito) para corte da caixa tetra pak..................................................... 31
FIGURA 14
Molde (gabarito) para dobrar a caixa tetra pak ................................................ 31
FIGURA 15
Pintura da caixa tetra pak...............................................................................32
FIGURA 16
Molde (gabarito) tubo 25 mm (3/4”) ............................................................ 32
FIGURA 17
Molde (gabarito) tubo 32 mm (1”) ................................................................33
FIGURA 18
Fundo do coletor (fechamento)......................................................................34
FIGURA 19
Ângulo de inclinação do coletor.....................................................................39
FIGURA 20
Interligação do chuveiro elétrico com aquecedor solar........................................ 40
FIGURA 21
Radiação solar no dia 11 de junho 2012............................................................ 41
FIGURA 22
Instrumentos usados para coleta de dados.................................................... 44
LISTA DE ABREVEATURAS, SIGLAS E SIMBOLS
ASBC - aquecedor solar baixo custo INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia PVC – Cloreto de polivinila ABRAVA - Associação Brasileira de Refrigeração e Ar Condicionado Ventilação e Arquitetura GLP – Gás Liquefeito de Petróleo SOSOL – Sociedade do sol ANEEL – Agencia Nacional de Energia Elétrica SEBRAE – Serviço Brasileiro de Apoio às micro e pequenas empresas ECO – de Apoio ao Empreendedor e Pequeno Empresário CIETEC – Centro Incubador de Empresas Tecnológicas USP – Universidade de São Paulo IPEN – Instituto de Pesquisa Nacional CLP – Controlador Lógico Programável LES – Laboratório de Energia Solar (Universidade Federal da Paraíba) α- Alfa π- pi A- área C- comprimento R- raio CO – cateto oposto H- hipotenusa senα – seno de alfa A – área [m²] Qu – Calor útil necessário [J] Qi = quantidade de calor total incidente [MJ/m²] qu = Calor útil na placa coletora [MJ/m²]
m – massa (ou volume) de água a ser aquecida [kg/m³] Cp – calor especifico da água 4,18605 [J/g°c] I – intensidade da radiação solar [J/m²] Ts – temperatura de saída [°C] Te – temperatura entrada [°C] η – rendimento ou eficiência νt – volume total de água no coletor Ac – área do coletor solar [m²] L – comprimento e largura do coletor [m²]
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 13 1.1 Objetivo .............................................................................................................................. 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 15 2.1 Histórico ............................................................................................................................. 15 2.2 Os tipos de aquecedores solar de água ............................................................................... 19 2.2.1 Aquecedor solar de placas oveolar plano aberto ............................................................. 19 2.2.2 Coletor solar convencional industrial .............................................................................. 20 2.2.3 Coletor solar plano convencional .................................................................................... 20 2.2.4 Coletor solar de tubos de vácuo ....................................................................................... 21 2.2.5 Universidade do sol ......................................................................................................... 22 3 PROJETO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA ...................................................... 23 3.1 Princípio de funcionamento ................................................................................................ 23 3.1.1 Início do processo e aquecimento da água através da energia solar ................................ 23 3.1.2 Manutenção e conservação da temperatura da água obtida:............................................ 24 3.1.3 Reservatório ..................................................................................................................... 24 3.2 Válvula de controle............................................................................................................. 26 3.3 Coletor ................................................................................................................................ 27 3.2.1 Dimensionamento do coletor para 200 litros ................................................................... 28 3.2.2 Montagem do coletor ....................................................................................................... 29 3.2.5 Viabilidade de retorno de investimento ........................................................................... 36 3.3 Interligação do coletor ........................................................................................................ 37 3.3.1 Fixação e inclinação do coletor ....................................................................................... 37 3.3.2 Isolamento do reservatório e tubos de interligação ......................................................... 40 3.4 Cálculos da eficiência ......................................................................................................... 40 3.4.1 Gráfico da radiação solar ................................................................................................. 40 3.5 Cuidados na operação da água fornecida pelo aquecedor solar ......................................... 41
3.6 Instrumentação.................................................................................................................... 42 4 RESUTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................................. 44 4.1 Análise dos resultados ........................................................................................................ 44 CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 44 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 44
1 INTRODUÇÃO
A energia solar é uma fonte de energia limpa, renovável e sem custo para ser produzida, não gera resíduo e não polui, podendo resolver problemas no mundo, bem como evitar a construção de barragens, represas e hidroelétricas, contribuindo com a diminuição de alagamentos de terras produtivas que poderiam ser utilizadas para agropecuária e agricultura e estar sendo ocupadas por famílias. Utilizar o aquecedor solar de água para substituir o uso de energia elétrica (chuveiro elétrico e pia de lavar louça) traz consigo uma grande economia de energia, porém pode implicar em um elevado consumo de água, devido ao conforto proporcionado pelo aquecedor em termo de temperatura e em alguns casos a melhora da pressão da água. Nos anos atuais, o meio ambiente vem sendo uma grande preocupação para os governos, os quais têm realizados investimentos para conscientizar a população no sentido de contribuir com o planeta, optando pelo uso de fontes de energia alternativas limpas e renováveis. Atualmente no Brasil existem centenas de aquecedores solares de baixo custo, principalmente nas regiões sudeste e sul do país, o que tem contribuído com a diminuição do consumo de energia elétrica, que em geral é uma fonte de energia muito cara para ser gerada. Dentro deste panorama surgiu a ideia da construção de um aquecedor solar de baixo custo, visando beneficiar o público alvo mais carente. Como a energia solar é uma fonte de energia renovável, limpa, não gerando resíduos e considerando ainda que não tem nenhum custo para ser produzida, tornou-se uma das alternativas energéticas mais importantes para os próximos anos e sua utilização deverá ser estimulada e priorizada. Dentre os materiais utilizados para a construção desse projeto, alguns são reaproveitáveis, os quais são descartados em grandes volumes nos aterros sanitários e têm o seu período de decomposição muito longo devido às suas características.
14 1.1 Objetivo
Este projeto tem como objetivo a construção de um aquecedor solar de baixo custo, que otimize a sua eficiência, tendo como referência a de um aquecedor solar de água convencional, que permita a sua construção por mão de obra não especializada e que sua utilização seja por pessoal de média e baixa renda.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Histórico
Em alguns países com os EUA, o uso de energia solar é incentivado pelo governo. Em Israel França, Itália, Grécia, Alemanha, Austrália e Japão, a utilização da energia solar para aquecimento de água é muito significativa. Em Israel seu uso é obrigatório O Brasil é um dos países situados em uma zona subtropical, que recebe muita radiação solar, oferece condições ideais para o aproveitamento da energia tanto como fonte de calor quanto de luz, isto facilita a sua utilização. O Brasil é o único país a utilizar o sistema de chuveiro elétrico como padrão para aquecimento de água para banho. No século XVII, foi testado o primeiro coletor solar pelo suíço Horácio de Saussure, atingindo temperaturas superiores à da ebulição da água (101°C). Em meados do século passado, foram desenvolvidos vários motores solares par Frances Augusto Mouchot, na Europa, e nos Estados Unidos foram realizados experiências no campo de aquecimento solar de água e motorização. Em 1936 um importante desenvolvimento obtido com o invento de Greeley Abbt, astrofísico americano de uma caldeira solar nos Estados Unidos. Em 1941 foi fabricada a primeira fotocélula de silício monocristalino por Bequerel, aperfeiçoada ao longo do tempo, pois não havia demanda para tal tecnologia, que gerava pouca quantidade de energia e apresentava um custo alto. Os primeiros estudos tiveram início no Brasil na década de 60 e o mercado do aquecedor solar de água iniciou na década de 70 com a crise do Petróleo, a mais ou menos 35 a 40 anos atrás, surgindo grande interesse em utilizar a energia solar para aquecimento de água e para gerar eletricidade para outras finalidades. Dados esses quantitativos da Associação Brasileira de Refrigeração e Ar Condicionado, Ventilação e Arquitetura (ABRAVA, 2005). Naquela época, pela simplicidade de funcionamento do aquecedor solar de água, não precisava de tecnologia e apareceu o surgimento de inúmeras empresas que fabricavam o aquecedor solar, as quais desapareceram na mesma velocidade segundo Franco apud Baptista (2006).
16 Na lição de Franco apud Baptista (2006) “tornou bastante comum, até há pouco tempo, o conceito de que o aquecimento solar não funciona, herança deixada pelos que apareceram e sumiram do mercado rapidamente”. O Laboratório de Energia Solar (LES), da Universidade Federal da Paraíba é uma das entidades pioneiras no estudo da energia solar no Brasil. Com trabalhos publicados desde 1973 participou do Desenvolvimento Nacional de Aquecedores solares (DIAS, 2004), no início dos anos de 1980, segundo Pereira et. al. apud Baptista (2006) informou que.
Tal mercado estava caracterizado por uma grande dose de idealismo por parte de seus empreendedores. Reduzido grau de profissionalismo incluía, inclusive, total desconhecimento sobre rendimento e durabilidade dos produtos comercializados no Brasil,
A partir da década de 90 o mercado começou a buscar qualidade preço e melhorou a tecnologia buscando melhoria e mudando a imagem negativa das décadas de 70 e 80, segundo Franco apud Baptista (2006) “ficaram no mercado as empresas que buscaram qualidade; buscaram organizar-se em associações para trabalhar em função do consumidor, com competência e preço”. Então a partir dessa década a empresa se profissionalizou. Portanto, houve a inclusão do sistema térmico no Programa Brasileiro de Etiquetagem e estabeleceu o marco regulatório do setor. Com esse marco regulatório, as empresas profissionalizantes associaram-se com o departamento ABRAVA. Como
o
departamento
da
ABRAVA
tem
forte
influência
em
normas
regulamentadoras de aquecedor de água com sistema solar abraçou com intuito da utilização da energia fotovoltaica que criou força para regulamentação de normas técnicas para o mercado. No final da década de 90, constatou-se um crescimento do mercado motivando uma maior profissionalização, desenvolvimento técnico, comercial e competitividade no setor por ter sido favorecido com taxas mais significativas. Nesta década de 90 verificou-se uma tendência à redução dos custos com exceção do período entre 1993-1996, devido aos aumentos dos preços praticados no mercado internacional para o cobre e alumínio Pereira et.al. apud Baptista (2006). Na década de 90 o Brasil passou por um processo de regulamentação; a reestruturação dos setores de infraestrutura, incluindo a indústria de energia, fundamentou-se na falta de capacidade de financiamento das empresas estatais. Assim caberia aos capitais privados dos novos operadores dos serviços públicos a missão de recuperar o nível de
17 investimentos na infraestrutura para eliminar os gargalos de crescimento dos demais setores da economia (PINTO JUNIO e FIANE apud Brazil, 2006). O acesso e consumo de energia pela população de baixa renda, como a eletricidade e o gás na forma de GLP em substituição à lenha ao querosene e outras biomassas para todos os consumidores residenciais, certamente reduziriam desigualdades sociais e regionais (SCHAFFER et. al. apud BRAZIL, 2006). A substituição das fontes de energia tradicionais foi uma constante na política energética brasileira na metade do século passado. A difusão desses energéticos à população de baixa renda foi incentivada por meio de uma política agressiva de tarifas de subsídios cruzados (OLIVEIRA et.al. apud BRAZIL 2006 ). Até meados a década de 90, as fornecedoras de energia aplicavam descontos em cascata para todos os consumidores de acordo com o consumo de energia. Em 1994, o Ministério de Minas e Energia oficializou o primeiro beneficio para consumidor de energia de baixa renda. Os clientes que consumiam até 30 kWh/mês tinham descontos de 65% na tarifa, os que consumiam entre 31 e 100 kWh/mês tinham um desconto de 30%, e os que consumiam entre 101 kWh/mês e um teto estabelecido para cada concessionária (na maioria dos casos 200 kWh/mês) tinham descontos de 10%. “Os recursos da subvenção eram obtidos a partir de um fundo alimentado pelos consumidores e administrado pela Eletrobrás” (POLITO apud BRAZIL 2006 ). A Lei 10.438, de 26 de abril de 2002, definiu um novo perfil para o consumidor de baixa renda, caracterizando toda família com consumo médio de até 80 kWh/mês como de baixa renda. Além desses consumidores, também podem ser enquadrados como consumidores de baixa renda aqueles cujo consumo mensal se situe entre 80 kWh/mês e 220 kWh/mês, desde que obedecidos os seguintes critérios: o responsável pela unidade consumidora ser inscrito no Cadastramento Único de Programas Sociais do Governo; a família ter renda per capita máxima equivalente a meio salário mínimo; essas duas condições serem comprovadas junto à concessionária (Resolução normativa ANEEL 485, de 29 de agosto de 2002). Estas taxas de descontos e o percentual de consumidores contemplados por cada faixa de consumo entre os anos de 1989 a 1995 podem ser vistos na tabela abaixo.
18 TABELA 1 - Tarifa de energia elétrica residencial – evolução das taxas de descontos por faixa de consumo 1989 a 1995 Percentual de desconto Faixa de consumo A partir de A partir de A partir de A partir de 14/01/89 08/11/90 01/02/91 04/02/93 0 a 30 89% 70% 60% 81% 31 a 100 72% 52% 40% 55% 101 a 200 65% 45% 35% 24% 201 a 300 17% 0% 0% 0% Acima de 300 0% 0% 0% 0% Fonte: França (1999, apud BERMANN, 2002, p.65).
A partir de 05/11/95 a 2002 65% 40% 10% 0% 0%
A relação entre a demanda de energia e a utilização de equipamentos é um indicador do requerimento de energia de uma família associado a um tipo de habitação. Bermann apud Brazil (2006), propõe a caracterização de uma cesta básica energética para um domicilio brasileiro, generalizando um padrão de 5 pessoas por habitação de 2 quartos, sala, cozinha e banheiro, considerando as necessidades de satisfação dos principais serviços energéticos como iluminação, aquecimento de água, refrigeração e força motriz para os equipamentos eletrodomésticos e adota os parâmetros indicados na Tabela 2, para a eletricidade
TABELA 2 - Consumo de energia na residência. Aparelhos
Potência média
Tempo médio de
Consumo médio
elétricos
(Watts)
utilização por dia
mensal em (kWh)
Geladeira
200
30
10 h¹
60,0
Chuveiro elétrico
3.500
30
40 min²
70,0
2 x 100
30
5h
30.0
3 x 60
30
5h
27,0
Televisão
60
30
5h
9,0
Ferro elétrico
1000
12
1h
12,0
Lava roupa
1.500
12
30 min
9,0
Aparelho de som
20
30
4h
3.0
Total
6.660
2 lâmpadas de 100 watts 03 lâmpadas de 60 watts
Dias de uso no mês
220,00
Fonte: Bermann apud Brazil (2006)
A cidade de São Paulo adota a lei nº 14.459 de 03/07/2007 decreto e nº 49.148 de 21/01/2008 que comenta o uso obrigatório de aquecedor solar de água a partir de 19 de julho todo projeto no município de São Paulo. Portanto todo projeto residencial e não residencial só é aprovado se contiver o sistema de aquecimento solar. É claro que tem alguns critérios a
19 seguir, isto para aquecedor solar convencional não existe aquecedor solar ASBC registrado no IMETRO (Instituto Nacional de Metrologia) (DIÁRIO OFICIAL CIDADE DE SÃO PAULO 22 de janeiro, 2008).
2.2 Os tipos de aquecedores solar de água
2.2.1 Aquecedor solar de placas alveolar plano aberto
A ideia de acelerar o desenvolvimento do ASBC iniciou-se após a equipe SoSol ser convidada pelo SEBRAE para ocupar o “stand” paulista na feira industrial do ECO 92, onde o primeiro protótipo ASBC foi publicamente apresentado. Naquele evento, dois grandes desafios ambientais eram discutidos: a redução dos gases poluentes e uso de tecnologia baseada em energia limpa. De 1992 a 1998 a equipe dedicou-se a pesquisas para transformar o protótipo num modelo de aplicação nacional. Com a oportunidade de agregar-se ao CIETEC – Centro Incubador de Empresas
Tecnológicas
da
USP/IPEN, em
janeiro
de 1999, os
desenvolvimentos aceleraram-se muito e o primeiro modelo definitivo do ASBC foi apresentado publicamente no final do ano de 2001, em plena época do "apagão", período de racionamento de energia elétrica. A possibilidade de aproveitar ou adaptar as instalações hidráulicas do chuveiro e a utilização de materiais de baixo custo, disponíveis no mercado, foi fundamental para esse avanço. Incluem-se entre esses materiais, o chuveiro elétrico, a caixa d’água, a placa de forro (divisória de PVC) e os tubos de PVC comuns. A associação dos materiais de baixo custo e o aproveitamento das instalações hidráulicas residenciais permite o retorno do investimento de 4 a 8 meses. Atualmente existem centenas de sistemas ASBC instalados em diversas cidades brasileiras, e um grupo crescente de monitores que prestam consultorias para as comunidades de sua região na montagem dos coletores e instalação dos sistemas. Porém a SoSol espera alcançar o alvo, no médio prazo, de ver instalado em cada lar brasileiro um modelo do ASBC. Segue abaixo o aquecedor de placa alveolar representado na Figura 1.
20
Fonte: Sociedade do sol – Manual de Manufatura e Instalação Experimental do ASBC (Aquecedor Solar de Baixo Custo).
FIGURA 1 – Aquecedor solar de placas alveolar.
2.2.2 Coletor solar convencional industrial
Os coletores solares convencionais são fabricados com materiais nobres, alumínio e aço inoxidável. Estão disponíveis em vários tamanhos e são aprovados e etiquetados pelo INMETRO, que por sua alta performance térmica possibilita um aquecimento de água muito mais rápido e melhor eficiência a ajuda o de uma resistência elétrica como auxílio para o aquecimento da água. Segue abaixo o aquecedor solar convencional representado na Figura 2.
Fonte: Heliotek, 2006.
FIGURA 3 – Coletor solar convencional industrial.
21 2.2.3 Coletor solar plano convencional
Os coletores solares para piscina, Heliopool, foram projetados para atingir sua máxima eficiência em altas vazões de água e temperaturas pouco superiores a ambiente (26ºC~32ºC), condição padrão para conforto em piscinas. Os tubos distribuidores foram exaustivamente testados para garantir um fluxo ótimo de água, além de contar com o sistema de engate rápido, patenteado pela Heliotek, que facilita e muito a instalação e garante um ótimo acabamento. Segue abaixo o coletor solar plano aberto representado na Figura 3
Fonte: Heliotek, 2006.
FIGURA 4 – Coletor solar plano aberto.
2.2.4 Coletor solar de tubos de vácuo
Os coletores solares de tubos a vácuo são coletores solares que, para diminuírem ainda mais as perdas, utilizam vácuo em seu interior (da ordem de 10-4 mm Hg), de modo a reduzir a zero suas perdas térmicas e, consequentemente, aumentar a temperatura final da água. São compostos por uma série de tubos, cada um com um absorvedor, o que faz com que os raios solares incidam perpendicularmente em suas superfícies durante quase todo o dia, permitido uma eficiência superior a dos coletores planos. São mais leves, facilitando sua instalação (ENVIRO-FRIENDLY, 2005). São usados para gerar energia térmica para aquecimento de água, pré-aquecimento industrial e refrigeração solar (fonte quente em um ciclo de absorção) (ICAEN, 2003)16. Este tipo de coletor, como será visto mais adiante, tem
22 grande utilização na China. Segue abaixo o coletor solar de tubos de vácuo representado na Figura 4.
Fonte: Enviro-Friendly, 2005.
FIGURA 3 – Coletor solar de tubos de vácuo.
2.2.5 Universidade do Sol A Universidade do sol – Fundação Augusto Mazzon tem o objetivo de disseminar a tecnologia de aquecimento solar de água através da capacitação profissional, publicações, pesquisas e desenvolvimento voltados ao uso eficiente e responsável das fontes renováveis de energia. A Universidade do Sol tem área de 5000 m², localizada na cidade de São Manuel, no centro rodoviário do estado de São Paulo. É a única do mundo nesse seguimento. Segue abaixo Universidade do Sol representado na Figura 5
Fonte: Sociedade do sol – Manual de Manufatura e Instalação Experimental do ASBC (Aquecedor Solar de Baixo Custo).
FIGURA 5 – Universidade do sol.
3 PROJETO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA
3.1 Princípio de funcionamento
O princípio de funcionamento é o mesmo que um sistema do aquecedor solar convencional tipo termossifão, diferenciando-se apenas pelos materiais utilizados para sua construção e consiste de: Caixinha “tetra pak”, tambor plástico com capacidade de 200 litros, garrafas PET, tubo de PVC.
3.1.1 Início do processo e aquecimento da água através da energia solar
O reservatório de material plástico é abastecido com água fria, o qual por gravidade preenche o coletor que está posicionado a 1,5 m abaixo. O aquecimento da água inicia-se quando a luz solar incide sobre o coletor, que deve necessariamente ser instalado direcionado para o Norte e com ângulo de inclinação que considere a latitude da região e as estações do ano. O coletor é composto por garrafas PET, no interior das garrafas passa um tubo de PVC pintado na cor preta fosca, que por sua vez transporta água fria, a qual será aquecida pela absorção de calor transmitido pelo processo de condução. As caixas “tetra pak”, que servem como berço para o alojamento do tubo, também são pintados de cor preta fosca, promovendo a ocorrência do conhecido efeito estufa. Os raios que por ventura reflitam da caixa e do tubo de PVC, ao tentar atravessar para fora da garrafa PET serão refletidos novamente para o mesmo, reforçando o efeito estufa e evitando a dissipação de calor para o ambiente. O calor provoca uma agitação térmica das moléculas de água que estão em permanente estado de agitação térmica, permitindo a movimentação das moléculas por densidade no processo denominado de convecção. A cor preta fosca tem maior capacidade de absorção da energia irradiada pelo sol, absorvendo os raios infravermelhos. No reservatório, a água fria é mais densa, mais pesada, é armazenada na parte inferior do reservatório. A água já aquecida é menos densa é armazenada e permanece na parte superior do reservatório. Esse processo é contínuo em quanto houver irradiação solar no sistema.
24 3.1.2 Manutenção e conservação da temperatura da água obtida:
Com o aumento da temperatura da água, a sua densidade diminui, o calor vai sendo transferido, passando de molécula em molécula da água, que com a agitação das mesmas a água começa a fluir da parte inferior para a parte superior do coletor e continua seu percurso até a parte superior do reservatório onde é armazenada, o qual possui uma isolação térmica para evitar a dissipação de calor para o meio ambiente. Esse processo é contínuo enquanto houver irradiação solar no sistema. O aquecedor solar de placa de garrafa PET e caixa “tetra pak” representados na Figura 6.
Fonte: Autor
FIGURA 6 – Aquecedor solar de garrafa PET caixa “tetra pak”.
3.1.3 Reservatório
O reservatório é um tambor plástico com capacidade de 200 litros, tem a função de armazenar a água fria, que ao passar pelo coletor, recebe a água quente fazendo toda a troca da água fria. O reservatório de plástico recebe um isolamento térmico para não dissipar o calor.
O reservatório possui cinco conexões de entrada e saída de água sendo:
Entrada de água fria no reservatório com redutor de turbulência.
Saída de água fria do reservatório para o coletor.
25
Entrada de água aquecida no reservatório retorno do coletor.
Saída de água aquecida do reservatório para o chuveiro com uma boia tipo pescador.
Dreno de segurança contra transbordamento (respiro).
Para instalação do reservatório deve-se um apoio, ou seja, um local com uma base que suporta o peso do reservatório cheio de água.
O sistema de tubulações e reservatório deve ser isolado termicamente, as partes de portes maiores, que representam uma grande fonte de perdas térmicas.
A distância vertical do coletor e reservatório é de 1,5 m de altura. Na parte superior do reservatório, lado oposto da interligação de recebimento de água
quente do coletor, há uma entrada de água fria ligada no reservatório, para repor a água já aquecida consumida. A parte interna do reservatório possui uma boia para manter o nível da água, e um redutor de turbulência (chicana), para evitar que a água fria se misture com a água já aquecida. A parte inferior do reservatório possui uma saída de água fria, interligada à parte inferior do coletor, para que a água circule pelo coletor. Na parte inferior do reservatório há uma saída de água já aquecida para o consumo. Há uma boia fixada em um tubo flexível tipo pescador, para retirar a água já aquecida. O reservatório é representado na Figura 7.
Fonte: Autor.
FIGURA 7 – Reservatório de água.
A estrutura para a instalação do reservatório foi fabricada com metalon de aço carbono de perfil quadrado 40x40 mm e 1200 de comprimento. Existe uma extensão móvel para regulagem de altura de metalon de aço carbono perfil quadrado 30x30 mm o qual possui furos para ajustar a altura entre reservatório de água, e o coletor. Estrutura do reservatório é representada na Figura 8.
26
Fonte: Autor.
FIGURA 8 – Reservatório de água II.
3.2 Válvula de controle
A válvula de controle de fluxo controla o fluxo de água no reservatório. O fluxo é controlado por uma sonda de temperatura montada na tubulação de água fria na entrada do reservatório. Quando não houver sol evita-se que entre água fria no reservatório. Válvula STERLGO seu range de temperatura 125°F a 200°F Tipo 56T. A válvula é representada na Figura 9.
Fonte: autor.
FIGURA 9 – Válvula de controle de fluxo de água.
Há uma válvula instalada no tubo de entrada de água fria no reservatório, para controlar a entrada de água no reservatório. A válvula possui uma sonda que é carregada com um gás que varia seu volume conforme a temperatura e uma manopla de regulagem, que
27 permite aumentar ou diminuir o rangem de variação de temperatura, conforme comprime e alivia a mola de regulagem. Quando a intensidade do sol incidir no bulbo da válvula (sonda) a mesma aquece o gás armazenado, expande e abre a válvula permitindo a passagem da água. Quando não há sol a sonda resfria e o gás comprime a mola da válvula empurra o diafragma de volta fechando o orifício de passagem de água fria para o reservatório, para que no período chuvoso e à noite possa estar utilizando a água do reservatório já aquecida sem que reponha esse volume de água consumida por água fria. A válvula é testada, regulada e calibrada, com uma resistência elétrica para aquecer a água, e um termômetro digital, para referenciar o ponto ideal de regulagem para a temperatura ambiente a ser instalada. Teste da válvula de controle de fluxo é representado na Figura 10.
Fonte: autor.
FIGURA 10 – Teste da válvula de controle de fluxo de água.
3.3 Coletor Os coletores de garrafas PET e caixinhas “tetra pak”, devem ser mantidos sempre cheio de água, para que não haja ressecamento nos tubos e nas junções causando vazamento, empenamento e trincas. É composto por uma entrada e uma saída:
Entrada de água fria no coletor.
Saída de água aquecida do coletor.
O coletor é construído de tubos de PVC, cotovelos 90°, te 90°, garrafas PET, e caixinhas “tetra pak”, adesivo plástico, fita isolante, fita alta fusão silicone e sikflex. As
28 garrafas PET funcionam criando o sistema de efeito estufa, para que o vento não dissipe o calor do coletor, no qual em seu interior são colocadas às caixinhas “tetra pak”, que por sua vez são pintadas de cor preta fosca, funcionando como absorção à energia do sol em forma de calor que aquece a água no interior do tubo de PVC. O coletor recebe água fria por gravidade do reservatório, que ao preencher todos os estágios, com a incidência da luz solar em sua superfície exposta ao sol, aquece a água, diminui a sua densidade e se movimenta da parte inferior para parte superior conforme vai aquecendo. As garrafas PET formam um efeito estufa, evitando a dissipação de calor pela ação do vento, e diminuindo a reflexão dos raios infravermelhos para a atmosfera, melhorando sua eficiência na transferência de calor para água a ser aquecida, tornando seu funcionamento tipo efeito termossifão. Esse processo é continuo enquanto houver irradiação solar no sistema. A água já aquecida é mais leve e flui para o reservatório tornando-se um processo contínuo entre o coletor e o reservatório, até que entre em equilíbrio. O coletor é representado na Figura 11.
Fonte: Autor.
FIGURA 11 – Reservatório de água.
3.2.1 Dimensionamento do coletor para 200 litros
Um sistema de aquecedor pode ser projetado para aquecer diferentes volumes de água. Neste projeto será demonstrado um sistema dimensionado para 200 litros de água quente, que irá atender uma residência de quatro pessoas diárias. Para os coletores serem
29 dimensionados, deve-se avaliar a latitude, as condições climáticas, tais como umidade e o vento e temperatura de cada região. Para este projeto foi dimensionado um coletor com uma área de 1,26 m². Em regiões mais frias deverão ser usados coletor com uma área de 1,5 m², sendo que cada estágio possui cinco garrafas PET de 2 litros. No Brasil, nas regiões Centro Oeste, são utilizados coletores com 1.0 m², para cada 0.2 m³ de água a ser aquecida, devidos ao clima ser mais favorável, ou seja, mais quente, nas regiões Sul é usado coletor com 1,5 m² de área dividido em dois ou três coletores para 0,2 m³ de água há ser aquecida.
3.2.2 Montagem do coletor
Para montagem do coletor, devem preparar um molde para cortar as garrafas PET em tamanhos iguais. Este molde de tubo PVC de 100 mm por 300 mm, o mesmo é cortado no sentido longitudinal, para que a garrafa PET possa passar por dentro até a posição do corte. No entanto deverá prestar atenção se as garrafas PET não estão em tamanhos diferentes, para que não ocorra erro na hora da montagem. Por serem lotes de fabricação diferentes as garrafas variam de tamanhos. Pode-se observar como fazer o corte na garrafa PET representado na Figura 12.
Fonte: Autor.
FIGURA 12 – Molde (gabarito) para o corte da garrafa PET. 3.2.3 Caixinha “tetra pak” No preparo da caixinha “tetra pak”, foi desenvolvido gabarito para facilitar o corte da caixinha, e manter o mesmo padrão de tamanho, porém não é necessário que seja de um material nobre como o foi sendo usado, que é de aço inox.
30 Este molde (gabarito) tem as seguintes dimensões 225 mm de comprimento por um corte em “V” de 70 mm de profundidade, e 90 mm de largura entre as duas extremidades que possui uma largura de 152 mm. O mesmo possui uma abertura de 4 mm, entre a parte superior, e inferior, para que a caixa “tetra park” encaixe dentro, para melhorar a fixação para o corte. Para melhor entendimento pode-se observar o molde (gabarito) para corte da caixa “tetra pak” representado na Figura 13.
Fonte: Autor.
FIGURA 13 – Molde (gabarito) para corte da caixa “tetra pak”. Para dobrar as caixas “tetra pak” foi desenvolvido outro molde com dimensões de 225 mm por 152 mm, apresenta duas dobras: uma parte trás da chapa e outra nas extremidades das laterais longitudinais para encaixe da caixinha a ser dobrada, o qual possui um corte de 85 mm nas duas extremidades com um encosto de 25 mm para que as caixas “tetra pak” sejam dobradas no mesmo padrão melhorando a fixação da caixa dentro da garrafa PET, impedindo adentrar na boca da garrafa não permitindo que o tubo de PVC de 20 mm passe pela garrafa. Pode-se observar nas fotos das figuras 14 para um melhor entendimento o molde (gabarito) usado na dobra da caixa “tetra pak”.
Fonte: Autor.
FIGURA 14 – Molde (gabarito) para dobrar a caixa tetra pak II
31 Após preparar as caixas “tetra pak” deve-se pintar um dos lados, com tinta na cor preta fosca, para absorver melhor o calor dos raios do sol e obter-se assim uma melhor eficiência na troca de calor da água a ser aquecida. A pintura da caixa “tetra pak” é representada na Figura 15.
Fonte: Autor.
FIGURA 15 – Pintura da caixa tetra pak. Os tubos de PVC 20 mm (1/2”), com comprimento de 1068 mm que também foi desenvolvido um molde que é de tubo de PVC de 25 mm (3/4”) com tampão em uma das extremidades, para encosto do tubo de 20 ( 1/2”) mm a ser colocado dentro do tubo de 25 mm (3/4”), para que ao ser cortado manter o mesmo padrão de comprimento. O molde (gabarito) é representado na Figura 16.
Fonte: Autor.
FIGURA 16 – Molde (gabarito) tubo 25 mm (3/4”).
32 Os tubos de 25 mm (3/4”) da parte superior e inferior do coletor, entre os T de 25 mm (3/4”) x 20mm (1/2”), devem ficar com espaçamento de 84 mm de comprimento. O diâmetro do tubo de 25 mm (3/4”) de diâmetro é para melhor circulação na entrada e saída dos coletores. Quando forem conectados nos T ficam com um espaçamento de 106 mm entre os tubos de PVC de 20 mm (1/2”) de cada estágio do coletor, somente o espaço para montagem das garrafas PET. Entre as garrafas PET ficará o menor espaço possível para diminuir a circulação de ar entre a parte inferior e superior dos estágios do coletor. O molde (gabarito) tubo 32 mm (1”) representado na Figura 17.
Fonte: Autor.
FIGURA 17 – Molde (gabarito) tubo 32 mm (1”). Os tubos 20 mm de PVC nos T de 25 mm (3/4”) x 20 mm (1/2”) são montados na parte inferior da entrada de água fria e saída de água quente do coletor. Estes são montado com adesivo plástico, facilitando na montagem, pois o adesivo diminui o atrito entre o tubo de PVC e a conexão a ser montada. Na parte inferior do coletor não e necessário montar com adesivo plástico. No entanto é bem mais difícil para montar, sendo necessário um martelo de borracha para não quebrar as conexões, e tubos com o impacto ao bater para fixação. Para o fechamento das garrafas PET na parte inferior foi colocado o próprio fundo da garrafa PET, com as seguintes dimensões, diâmetro da garrafa PET no corte superior de 96 mm, a garrafa PET no fundo possui um vinco que então foi utilizado como referência para medir até o ponto do corte com 48 mm, ficando com uma altura de 98 mm, e no fundo da mesma é feito um furo de 20 mm que permite a passagem do tubo de PVC de 20 mm (1/2”) mm, para o fechamento do estágio do coletor, para cada estágio são utilizadas 5 garrafas PET.
33 Portanto tem que prestar atenção quanto ao tamanho das garrafas PET, para ver se são realmente do mesmo tamanho, pois estas variam de acordo com os lotes de fabricação. Conforme segue abaixo fundo do coletor (fechamento) representado na Figura 18.
Fonte: Autor.
FIGURA 18 – Fundo do coletor (fechamento).
3.2.4 Calculo do volume de água no coletor Cálculo da circunferência dos tubos 20 mm (1/2”)
(1) Cálculo da circunferência do tubo de 25 mm (3/4”)
(2) Cálculo da área para troca de calor utilizando tubos com 20 mm (1/2”) e 25mm (3/4”) de diâmetro respectivamente.
(3)
(4)
34 (5)
(6) Cálculo do volume de água nos coletores com tubos de 20 mm (1/2”)
(7) Cálculo do volume de água nos coletores com tubos de 25 mm (3/4”)
(8)
Cálculo do volume total de água na placa coletora.
(9)
Cálculo da área total da placa coletora
(10)
V– volume A – área de troca de calor do tubo PVC b – base h – altura A – área π – pi r – raio h – altura νt – volume total de água no coletor Ac – área do coletor solar [m²] L – comprimento e largura do coletor [m²]
Para construção do projeto foram utilizados peças, ferramentas e instrumentos eletrônicos, para estar avaliando o investimento e quais materiais empregados, a seguir representados na tabela 3.
35 TABELA 3 - Materiais usados na montagem do projeto. Item
Quant.
Descrição do material
Valor unitário R$
Valor total R$
01
02
Tubo de PVC marrom 20 mm
9,00
18,00
02
01
Tubo de PVC marrom 25 mm
12,00
24,00
03
01
Adesivo plástico
4,00
4,00
04
01
Martelo de borracha
10,69
10.69
05
20
Te 25x20 mm
1,50
30,00
06
60
Garrafa PET coca cola
xxx
xxx
07
50
Caixa “tetra pak” de leite
xxx
xxx
08
02
Lixa d’água p 100
1.50
1,80
09
01
Trena 3000 mm
5,00
5,00
10
01
Furadeira
290.00
340.00
11
01
Broca de aço rápido 0 6 mm
2.80
2.80
12
02
Serra copo
25,00
50,00
13
01
Arco de serra
8,90
8,90
14
01
Lamina de será
3,50
3,50
15
02
Luva PVC 3/4
0,60
1,00
16
01
Pincel de 1 ½” de polegada
2,80
2,80
17
01
Capa 25 mm PVC 3/4
0,80
0,80
18
04
T 25x20 mm com rosca
2,50
5,00
19
01
Esmalte sintético preto fosco
24,00
24,00
20
02
Manômetro
31,00
62,00
21
02
Bucha de redução 1/2”x1/4”
4,93
9,86
22
02
Bucha de redução 1/4”x3/8”
4,93
9,86
23
01
Tambor plástico 200 litros
70,00
70,00
24
04
Termopar tipo j
120,00
480,00
25
01
Cartão analógico 04 CH thermocouple
1800,00
1800,00
26
60
Cabos
30,00
30,00
27
01
CLP 1100
220000
2200,00
28
01
Suporte do serra copo
25,00
25,00
29
01
Válvula de controle de fluxo
1.989,18
1.989,18
30
01
Tubo de silicone
9,50
9,50
31
01
Tubo de “cikflex”
23,00
23,00
TOTAL Fonte: autor
7.215,69
36 3.2.5 Viabilidade de retorno de investimento
Baseando em uma residência com o consumo de energia no decorrer do mês em kWh, e multiplicado por 12 meses do decorrer do ano, então se divide por 365 dias obtem-se uma media diária do consumo de energia. Com os dados da média diária, multiplica-se pelo valor em reais do kWh e obtém-se o valor do consumo de energia em custo total em (R$). Segundo Bermann apud Baptista (2006), explica que o consumo mensal de energia elétrica no chuveiro por domicílio (Tabela 2) para 5 pessoas é da ordem de 70 kWh, considerando o preço da tarifa de energia elétrica em kWh, pode-se calcular a viabilidade, e amortização do aquecedor solar. A tabela 4 apresenta o custo para montar um aquecedor solar de garrafa PET. TABELA 4 – Viabilidade e retorno de investimento.
Tubo de PVC marrom 20 mm
Valor unitário (R$) 9,00
Valor total (R$) 18,00
02 01
Tubo de PVC marrom 25 mm Adesivo plástico
12,00 4,00
24,00 4,00
04
01
Martelo de borracha
10,69
10,69
05
20
Te 25x20 mm
1,50
30,00
06
02
Lixa d’água p 100
1,50
3.00
07
01
Trena 3000 mm
5,00
5,00
08
01
Arco de serra
8,90
8,90
09
01
Lâmina de será
3,50
3,50
10
02
União PVC 3/4
4,00
8,00
11
01
Pincel de 1 ½” polegada
2,80
2,80
12
02
Capa 25 mm PVC 3/4
0,80
1.60
13
02
T 25x20 mm com rosca
2,50
5,00
14
60
Garrafa PET coca cola
xxx
15
50
Caixa “tetra pak” de leite
xxx
16
01
Um litro esmalte sintético preto fosco
24,00
24,00
17
01
Tambor plástico 200 litros
70,00
70,00
18
2.5
Manta térmica
16,00
16,00
Item
Quant.
Descrição do material
01
02
02 03
TOTAL
235.49
Fonte: autor.
(11)
37 Conforme tabela 2 o consumo de energia do chuveiro é 70 kWh mês. A tarifa em R$ cobrada no mês de junho de 2012 de um kWh em Rio Verde (GO) foi de 0.448200 centavos. Assim, ao se multiplicar o consumo de energia pela tarifa cobrada, obtém-se o valor mensal do custo de energia. O custo para montagem do aquecedor solar ASBC é apresentado na tabela 4 para determinação da viabilidade de investimento. Portanto com esses dados pode-se obter o tempo para repor o investimento do aquecedor solar.
(12)
(13) C – custo (R$) Tarifa – tarifa de um kWh Consumo – consumo mensal de energia (kWh)
3.3 Interligação do coletor
Depois de montado o coletor e reservatório, dever-se á fazer a interligação entre o coletor e reservatório com tubos de PVC, cola adesiva plástica, e um arco de serra para o corte dos tubos. Na parte inferior do coletor há uma entrada de água fria que deverá interligar com a saída de água fria na parte inferior do reservatório, na parte superior do coletor saída de água quente, deverá interligar na parte superior do reservatório.
3.3.1 Fixação e inclinação do coletor
Após a posição determinada do coletor como já projetado, os mesmo deverão ficar direcionado para o norte respeitando as alturas relativas entre o reservatório e o coletor citados antes. Essa fixação deve ser com fios rígidos de longa vida expostos no ambiente externo deve evitar fitas e abraçadeiras plásticas que com a ação do tempo a um ressecamento e se torna quebradiço. Na instalação do coletor deve-se considerar o ângulo de inclinação levando em conta a latitude da região. Alem desse ângulo deve levar em consideração as estações do ano, no
38 verão deve acrescentar 10° e no inverno deve ser acrescentado 15°a mais do ângulo da latitude da região. Exemplo: levando em conta a latitude local e a estação do ano no verão. Em Rio Verde-Goiás, a sua latitude é de 17° 47´53s, os coletores deverão ser acrescentados a mais 10° na inclinação, portanto 17°47´53s + 10° = 27°47´53s. Antes de fixar os coletores, deverá deixar 0.2 m de inclinação lateral para cada 1.0 m de coletor, para evitar bolha de ar no coletor, permitindo que elas fluam para o reservatório. Método para calcular a altura do coletor, já com o ângulo definido de acordo com a latitude local e a estação do ano verão e inverno. (AONDEFICA, 2012).
(14)
CO – Cateto oposto H – Hipotenusa Senα – Seno de alfa TABELA 5 – Ângulo de inclinação da placa coletora. Latitude (ângulo α) 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 11° 12° 13° 14° 15° 16° 17° 18° 19° 20° 21° 22° 23° 24° 25° Fonte: autor.
Cateto oposto (cm) 1.955 3,909 5,862 7,813 9,762 11,707 13,649 15,587 17,521 19,449 21,371 23,286 25,195 27,095 28,988 30,871 32,746 34,610 36,464 38,306 40,137 41,956 43,762 45,555 47,333
Grau (ângulo α) 26° 27° 28° 29° 30° 31° 32° 33° 34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41° 42° 43° 44° 45° 46° 47° 48° 49° 50°
Cateto oposto (cm) 49,098 50,847 52,581 54,297 56.000 57,684 59,351 60,100 62,630 74,241 65,832 67,403 68,954 70,484 71,992 73,479 74,943 76,384 77,802 79,196 80,566 81,912 83,232 84,528 85,797
39 Segue abaixo Ângulo de inclinação do coletor representado na Figura 18.
Fonte: Autor.
FIGURA 19 – Ângulo de inclinação do coletor.
A interligação entre o reservatório e o chuveiro elétrico poderá ser instalada com tubos PVC, os mesmos utilizados no coletor de 20 mm (1/2”). Além dos tubos será usados um registro (válvula) um T e dois cotovelos para a interligação no chuveiro já existente na residência Segue abaixo exemplo de instalação do chuveiro representado na Figura 19.
Fonte: Autor.
FIGURA 20 – Interligação do chuveiro elétrico com aquecedor solar
40 3.3.2 Isolamento do reservatório e tubos de interligação
O isolamento térmico nos tubos de saída dos coletores, ou seja, de retorno para o reservatório, é importante para minimizar a perda de temperatura da água do sistema. O vento é uma das causas principais de dissipadores de calor, os tubos deverão ser isolados com um material próprio para isolamento térmico que sua característica suporte temperaturas mais elevadas.
3.4 Cálculos da eficiência
3.4.1 Gráfico da radiação solar
Esta pesquisa tem o objetivo de obter a eficiência do aquecedor solar. Não foi possível medir a radiação solar no mesmo instante da coleta da temperatura, por não obter o instrumento de medição. Por tanto foram utilizados dados reais da radiação solar para o mesmo dia em que a leitura da bancada ocorreram. Gráfico da radiação solar do dia 11 de junho de 2012. Dados obtidos Estação Usina Decal Rio Verde GO, é representado no gráfico figura 21.
2 1,8 Radiação solar [MJ/m²]
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 09:00
10:00
11:00
12:00 Horário [h]
Fonte: Simego.
FIGURA 21 – Radiação solar no dia 11 de junho 2012.
13:00
14:00
15:00
41 As temperaturas registradas pelos termopares dia 11/06/2012 apresentam que no início do dia, os valores das mesmas na saída da placa solar é maior 5.23°C em relação a temperatura de entrada do coletor, e quanto à temperatura do reservatório são 7°C em relação à saída do coletor. Segue tabela 4 de temperatura registrada pelos termopar abaixo. TABELA 6 – Temperatura registrada pelo termopar. Dia
Ano
Hora
T. Ambiente (°C)
T. Reservatório (°C)
T. Entrada (°C)
T. Saida (°C)
11/06
2012
08:00
24,50
23,76
27,44
27,44
11/06
2012
09:00
25,48
24,75
27,44
32,67
11/06
2012
10:00
25,48
24,75
28,42
37,68
11/06
2012
11:00
25,70
28,71
27,46
48,52
11/06
2012
12:00
26,80
36,60
30,00
46,20
11/06
2012
13:00
28,60
36,70
30,30
47,40
11/06
2012
14:00
28.20
36,90
31,20
52,90
11/06
2012
15:00
29,30
36,60
30,60
47,80.
11/06
2012
16:00
29,00
36,00
31,40
47,10
Fonte: autor.
Ao se propor a avaliação da eficiência do aquecedor solar plano com garrafas PET, caixa “tetra pak”, objetivou-se por não ter nenhum registro de eficiência neste tipo de aquecedor, e estar proporcionando as pessoas de baixa renda um equipamento de melhor qualidade e desempenho.
3.5 Cuidados na operação da água fornecida pelo aquecedor solar
O usuário ao ligar o chuveiro é aconselhável que acione em primeiro lugar o registro de água fria, para que a água esteja abaixo da temperatura ideal para seu uso. Para que se possa abrir o registro de água quente na proporção ideal aumentando a temperatura da água para que o banho seja mais agradável. Outra observação é que nas duas primeiras semanas devido ão uso de colas nos coletores, haverá alteração no cheiro da água e gosto. Assim é recomendado que para melhorar e acelerar esse processo na primeira semana drene toda a água do reservatório e não utilize essa água para tomar e nem cozinhar. Se caso a casa ficar com mais de uma semana sem usar a água do reservatório é importante que drene a água do reservatório, (em caso de férias, viagens) a água parada em temperatura alta e ambiente escuro proporciona o desenvolvimento de micro-organismos.
42 Para que não haja insuficiência no funcionamento do aquecedor é importante ter cuidado na hora da montagem, seguir o procedimento após a montagem verificar se há existência de vazamento, verificar se o coletor está muito quente. Nesse caso pode haver bolhas de ar no sistema evitando a circulação da água. Rever-se os tubos de circulação de água não está entupido. Reavaliar as inclinações dos coletores e tubos e isolamentos de retorno do coletor para o reservatório. Os aquecedores Água Solar não necessitam de manutenção e reparos constantes se foram montados conforme procedimentos especificados pelo projeto. No entanto é importante fazer uma inspeção visual no decorrer da utilização do aquecedor para ver se tem algum vazamento.
3.6 Instrumentação
A bancada de teste foi constituída com os instrumentos descritos abaixo, os quais foram devidamente aferidos e após a construção do aquecedor solar permitiu a realização das medições. Foram necessários os seguintes instrumentos para realização das medições:
1 CLP (controlador lógico programável) modelo micrologix 1200, cabo de comunicação entre CLP e computador;
1 cartão analógico específico para sensor de temperatura tipo termopar (par térmico) com 4 entradas de 16 bits cada uma, 4 termopares tipo J de -40 a 750 ºC ; 1 multímetro aferido para comparação das temperaturas com o programa e 1 computador com o software compatível para o CLP e
1 PT 100 100Ω platinum RTD RANGE -199°C TO + 600 °C AUTO POWER OFF DISCBLE PUSC HOLD + ON/OFF aferido para comparação das medições realizadas.
Todas as medições foram coletadas manualmente de hora em hora, para serem avaliadas e tratadas posteriormente. Instrumentos utilizados para coleta de temperatura estão representados na figura 22.
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Fonte: Autor. FIGURA 22 – Instrumentos usados para coleta de dados.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Análise dos resultados
Para o cálculo do calor útil, é necessário que se tenha a vazão do coletor no intervalo de uma hora. Neste projeto foi considerado todo o volume de água do sistema que circula no intervalo de uma hora. Quanto à radiação solar que está sendo calculada, conforme intervalo de uma hora, figura 21 radiação solar capítulo 3. O resultado é o real da SIMEGO do dia da coleta de temperatura. (
)
(15)
(16)
(
η
)
(17)
η
(18)
Qu – Calor útil necessário [J] Qi = quantidade de calor total incidente [MJ/m²] qu = Calor útil na placa coletora [MJ/m²]
m – massa (ou volume) de água a ser aquecida [kg/m³] Cp – calor especifico da água 4,18605 [J/g°c] I – intensidade da radiação solar [J/m²] Ts – temperatura de saída [°C] Te – temperatura entrada [°C] η – rendimento ou eficiência
45 TABELA 7 – Resultado dos cálculos. Data Hora m [kg] Cp [J/kg°C] Te [°C] Ts [°C] Ts-Te [°C] QU [MJ] A [m²] qu [MJ/m²] Qi MJ/m² 11/06 08:00
200
4,18605 x10³
27,44
27,44
5,23
4.372
1,26
11/06 09:00
200
4,18605 x10³
27,44
32,67
10,24
8,573
1,26
3,469
0,88
11/06 10:00
200
4,18605 x10³
28,42
37,68
20,10
16,828
1,26
6,803
1,63
11/06 11:00
200
4,18605 x10³
27,46
48,52
18,74
15,689
1,26
13,355
2,142
11/06 12:00
200
4,18605 x10³
30,00
46,20
17,40
14,567
1,26
12,452
2,52
11/06 13:00
200
4,18605 x10³
30,30
47,40
22,60
18,921
1,26
11,561
2,646
11/06 14:00
200
4,18605 x10³
31,20
52.90
21,04
17,649
1,26
15,016
2,520
11/06 15:00
200
4,18605 x10³
30,60
47,80
16,60
13,898
1,26
14,007
2,142
11/06 16:00
200
4,18605 x10³
29,00
47,10
16,50 76,663
14,42
Fonte: autor.
Foram realizados poucos testes de campo, o que não se permite dizer com precisão que o fato de perda é o mais importante. Além da sugestão de que realizem novos testes em prazos mais longos, pode se sugerir também diminuir a altura entre o coletor e o reservatório, baixar o ponto de retorno do coletor na entrada do reservatório, e um pirarômetro para avaliar a concentração da radiação solar real sobre a placa coletora. Por não ter um medidor de vazão foi avaliado como se estivesse circulando toda a água do reservatório no intervalo de hora em hora outro ponto para se avaliar.
CONCLUSÃO
Em um planeta que já se aproxima de ter seus recursos energéticos exauridos, é inegável a necessidade de novos caminhos e alternativas que possuam custo beneficio favoráveis à atual realidade. Essas alternativas de baixo custo e de pouco impacto ambiental, demonstram-se satisfatoriamente eficazes na substituição dos meios tradicionais de obtenção de energia elétrica, por exemplo. Primeiramente, através dos testes práticos e pesquisas de campo feitas, observou-se que este método de obtenção de energia, além de figurar como um meio acessível a todos, apresenta baixo custo e impacto ambiental praticamente nulo. Voltando-se para a pesquisa em questão, pode-se concluir através dos dados obtidos, que o projeto atende às expectativas oferecendo eficiência e resultados viáveis a uma possível utilização em larga escala. Para que não haja insuficiência no funcionamento do aquecedor é importante ter cuidado na hora da montagem, seguir o procedimento e após a instalação constatar se existe vazamento, além de verificar se o coletor está muito quente. Nesse caso pode haver bolhas de ar no sistema evitando a circulação da água. Também é importante rever se os tubos de circulação de água não estão entupidos e reavaliar as inclinações dos coletores e tubos de isolamento de retorno do coletor para o reservatório. O aquecedor solar de água tubular tipo sifão não necessita de manutenção e reparos constantes se forem montado conforme procedimentos especificados pelo projeto. No entanto é importante fazer uma inspeção visual periódica no decorrer da sua utilização.
REFERÊNCIAS
GILBERTO KASSAB CIDADE DE SÃO PAULO. LEI Nº 49.148, 28 de Janeiro de 2008. Diário Oficial da União, p.14.
Sociedade do sol: Manual de Manufatura e Instalação Experimental do ASBC (Aquecedor Solar de Baixo Custo). Disponível em: . Acesso em: 05 de janeiro de 2012.
SIMEGO - Sistema de Metrologia e Hidrologia do estado de Goiás,disponível em Acesso em 17/06/2012.
ABRAVA - Assciação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Arquitetura.disponível em Acesso em: 05 de janeiro de 2012.
INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia disponível em Acesso em: 06 de janeiro de 2012. Soletrol – Manual do Proprietário – Sistema Heliotek de aquecimento solar. Disponível em:. Acesso em: 09 de abril de 2012.
AONDEFICA - Cordenadas Latitudes disponível em . Acesso em: 14 de fevereiro de 2012.
BAPTISTA, A. S. C. Análise da Viabilidade Econômica da Utilização de Aquecedores Solares de Água em Resorts no Nordeste do Brasil. COPPE/UFRJ, M.Sc., Planejamento Energético, 2006)
BRAZIL O. A. C. Dissertação apresentada ao curso de Mestrado em Regulação da Indústria de Energia, Universidade Salvador – UNIFACS, 2006.
