AVALIAÇÃO DE ABSORÇÃO DE ENERGIA SOLAR EM PLACAS DE COMPÓSITOS DE MATRIZ DE POLIPROPILENO RECICLADO
H. R. de Souza*1, C. M. Mählmann2, A. L. Rodríguez3
*
Av. Independência, 2293, bloco 12, sala 1211, Bairro Universitário, Santa Cruz do Sul, RS, Brasil, CEP 96815-900.
1 Curso de Engenharia Mecânica – Universidade de Santa Cruz do Sul- UNISC, RS. 2 Departamento de Química e Física – Universidade de Santa Cruz do Sul- UNISC,
RS.
3 Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias – Universidade de
Santa Cruz do Sul- UNISC, RS.
RESUMO
Aplicação da energia solar de baixa temperatura pode ser obtida através de coletores planos ou de tubos evacuados, sendo operado com água como fluído de trabalho. Sua aplicabilidade é adequada para dias com maior incidência de raios solares. Considerando o aumento do uso de energia limpa, este trabalho objetivou a construção de placas coletoras baseadas em compósitos poliméricos com matriz de polipropileno reciclado. A adição de resíduo de pó de tabaco, negro de fumo e pó de alumínio nas formulações, teve como finalidade o auxilio na absorção da energia solar pelas placas coletoras. As placas estudadas foram avaliadas sob incidência de diferentes potências de fontes de calor e em diferentes tempos de exposição, visando avaliação de gradiente de temperatura, para aplicação na composição de coletores de energia solar para aquecimento de água.
Palavras-chave: reciclagem, polipropileno, compósitos, energia solar.
INTRODUÇÃO
A energia solar é a fonte de energia renovável menos poluente conhecida até o momento. Esta forma de energia ainda não é aproveitada eficientemente o máximo possível. Providenciar um sistema com grande eficiência é uma tarefa que encontra algumas dificuldades e certo grau de complexidade. Atualmente, sistemas geradores
de energia, são mais utilizados no aquecimento residencial, em sistemas térmicos e fotovoltaicos (1).
O sistema térmico consiste na conversão de radiação solar em calor, usando a energia conforme a aplicação desejada, foco do estudo. O sistema fotovoltaico converte a energia radiante do sol em energia comum (2).
A energia térmica estudada é de baixa temperatura, na escala máxima de até 100°C(3), tendo emprego como exemplo no aquecimento de ambientes, aquecimento de água residencial e piscinas, sendo uma aplicação mais simples e imediata (4).
As aplicações da energia solar em baixa temperatura, para aquecimento de água em piscinas, processos de secagem e certos processos industriais, pode ser obtidos através de coletores planos abertos ou fechados ou por coletores de tubos evacuados, podendo ser operados por água como seu fluído de trabalho (5). Sua aplicabilidade é bastante adequada por ocorrer a maior oferta de energia em dias ensolarados de verão. Um sistema de aquecimento solar se divide em três subsistemas, captação do calor (placas coletoras), armazenamento (boiler) e consumo (redes de distribuição do fluido) (6).
O presente trabalho foi desenvolvido baseado em um ponto importante para a preservação do meio ambiente, a reciclagem de materiais e uso dos mesmos em processos futuros, onde se aplica tanto para pesquisa como grande diminuição de problemas ambientais (7). Neste sentido, foi realizado o estudo de aproveitamento de resíduos provenientes de indústrias (embalagens) de água mineral para a produção de placas coletoras de energia solar para uso térmico de média temperatura em residências ou indústrias. O resíduo a base polipropileno, PP, vem da utilização dos reservatórios de armazenamento de água, este que por sua vez, passa pelo processo de moagem, o tornando em grânulos para ser homogeneizado com a adição de fase dispersa na matriz de PP para realização de ensaios de propriedades e aplicação.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram elaboradas formulações e produzidas placas de compósitos poliméricos baseados em polipropileno (PP) reciclado, proveniente de embalagens de água mineral.
O PP pós-consumo foi preparado para composição da matriz polimérica dos compósitos através das etapas de limpeza e moagem em moinho de facas
(MECANOFAR – MF 300), Fig. 1. A realização da mistura com os componentes da fase dispersa foi realizada através da homogeneização dos componentes para melhor aderência entre os compósitos e polímero moído, em homogeneizador MH. Cada composição foi moldada sob forma de placas (com dimensões aproximadas de 400x400 mm e espessura de 4 mm)por compressão a quente em prensa, MH EQUIPAMENTOS, a 180 C.
Figura 1: Preparação do PP para utilização como matriz polimérica.
Como fase dispersa foram utilizados: negro de fumo (furnex N-762), pó de alumínio (Standart Chromal VIII – Clariant) e/ou o pó de fumo, resíduo proveniente de indústrias de tabaco. Além disto, foi avaliada a utilização anidrido maleico, como compatibilizante, em uma porcentagem de 2% (m/m), utilizando-se para isto o processo de extrusão com o PP. Esta adição foi realizada com o objetivo de melhorar a adesão interfacial entre a matriz polimérica e os componentes da fase dispersa. Os teores da fase dispersa utilizados nas formulações foram: 6% (m/m) de negro de fumo, 20% (m/m) de pó de fumo e 10% (m/m) de uma mistura de negro de fumo com 4% (m/m) pó de alumínio.
As placas obtidas foram avaliadas quanto à variação de temperatura (proporcional ao fluxo de calor) através de um experimento de bancada, cujo esquema é apresentado na Fig. 2, constando de cinco sensores de temperaturas.
Os sensores foram dispostos nas distâncias apresentadas na Tab. 1, a partir da fonte de calor. As placas foram colocadas entre os sensores 3 e 4 a 20 mm de cada um destes.
Como fontes de calor foram utilizadas lâmpadas incandescentes de potências 25 W, 40 W, 60 W e 100 W. As temperaturas foram medidas com termômetro digital portátil de 5 sensores (Penta III FullGauge).
Figura 2: Esquema do sistema utilizado no experimento sobre fluxo de calor.
Tabela 1: Distâncias dos sensores de medida de temperaturas.
Sensores (Spindle) Distância Vertical e Horizontal Primeiro Sensor – Spindle1 0 mm Vertical e 116,6 mm Horizontal Segundo Sensor – Spindle2 138,3 mm Vertical
Terceiro Sensor – Spindle3 209 mm Vertical Quarto Sensor – Spindle4 249,6 mm Vertical
Quinto Sensor – Spindle5 365,8 mm Vertical
Os sensores de maior importância neste estudo são localizados sobre a placa coletora solar (209,3 mm) e abaixo da placa da placa coletora solar (249,6 mm), que forneceram as informações a respeito do gradiente de temperatura vinculado à energia absorvida pela placa. As medidas de temperatura foram realizadas em intervalos de tempo de 1h, 2h e 3h, e em triplicata.
RESULTADOS EDISCUSSÕES
Na Fig. 3 são apresentadas as temperaturas medidas nos cinco sensores para a placa de polipropileno puro considerando as diferentes potências das fontes, bem como os tempos de medidas.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Ambiente
T e m p e ra tu ra ° C
Temperaturas obtidas nos sensores da placa de PP puro
Pot. 25W - 1H Pot. 25W - 2H Pot. 25W - 3H Pot. 40W - 1H Pot. 40W - 2H Pot. 40W - 3H Pot. 60W - 1H Pot. 60W - 2H Pot. 60W - 3H Pot. 100W - 1H Pot. 100W - 2H Pot. 100W - 3H
Figura 3. Temperaturas obtidas nos 5 sensores para a placa de polipropileno puro.
Verificou-se que o tempo de exposição não gerou grandes alterações nas temperaturas medidas. Considerando esta observação optou-se por apresentar e discutir os resultados obtidos em 1 hora de ensaio. Para a fonte de 100 W de potência foi verificada um gradiente de temperatura maior considerando os pontos antes e depois da placa. A Fig. 5 apresenta resultados das temperaturas nas diferentes formulações, e também sem placa, no tempo de 1 h e fonte de 100W.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Ambiente
Te m p e ra tu ra ° C
Temperaturas obtidas nos sensores de todas as placas em fonte de potencia de 100W PP Puro PP + Pó de Fumo 20% PP + Negro de Fumo 6% PP + NF 6% + Pó de Al. 4% Sem Placa
Com os resultados obtidos foram determinados os percentuais de diminuição de temperatura entre os sensores 3 e 4 (localizados antes e depois da placa). Deve-se considerar ainda que entre as distâncias dos dois Deve-sensores em questão as medidas realizadas sem placa indicaram diminuição de 5 % da temperatura causada por outros processos, além da absorção de energia pelas placas.
Nos gráficos 6 e 7 são apresentados os percentuais de diminuição de temperatura entre os sensores 3 (209,3 mm de distância vertical da fonte) e 4 (249,6 mm de distância vertical da fonte), para todas as amostras nos três intervalos de tempo de medida, com as potências de 25 W/40 W e 60 W/100 W, respectivamente.
Figura 5. Resultados da diminuição percentual diminuição de temperatura entre os sensores 3 e 4,com fontes de potência 25 W e 40W.
Figura 6. Resultados da diminuição percentual diminuição de temperatura entre os sensores 3 e 4,com fontes de potência 60 W e 100W.
Observou-se que o tempo das medidas não foi determinante para a variação da temperatura, exceto para as amostras de PP puro nas potências de 25 W e 60 W em 3 horas de ensaio, provavelmente causada por fatores externos, temperatura ambiente variou no período em questão.
CONCLUSÕES
Os resultados indicaram que as formulações envolvendo negro de fumo e pó de fumo, apresentaram melhor desempenho na absorção de energia térmica (maiores gradientes de temperatura), principalmente para maiores potências. Pode-se inferir por estes resultados que para a aplicação como placa de coletor de energia solar, as formulações com estes dois componentes apresentarão maior rendimento, pois a potência da energia incidente é maior do que as envolvidas no ensaio de bancada.
Foram alcançados valores de 35 % de variação de temperatura, sendo que destes 5 % são relativos à geometria, distância, convecção, conforme verificado nas medidas realizadas sem placa. Salienta-se que a diferença de temperatura é diretamente proporcional ao fluxo de calor, e inversamente proporcional a condutibilidade térmica do material.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao apoio recebido do Pólo de Modernização e Inovação Tecnológica do Vale do Rio Pardo, e da Secretaria de Ciência, Inovação e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul, e ao programa de iniciação científica da UNISC – Bolsa PUIC.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. HUDON K; Future Energy. 2 ed; 2014. Elsevier, 2014. 716 p.
2. MASSIRLIS D; MARTINOPOULOS G; TSILINGIRIDIS G; YAKINTHOS K; KYRIAKIS N; Investigation of the heat transfer behavior of a polymer solar collector for different manifold configurations, Renewable Energy, n. 68, p. 715 – 723, mar. 2014.
3. PALZ, W. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus Livraria Editora Ltda., 358p. 1981.
4. PROCOBRE. Disponível em http://procobre.org/ pt/ cobre/ aplicacoes/ energia/ energia-solar. Acessado em junho de 2014.
5. ALDABÓ, R. Energia solar. São Paulo: Artliber, 155 p, 2002.
6. COMETTA, E. Energia solar: utilização e empregos práticos. São Paulo: Hemus, 127 p, 1978.
7. AL-MAADEED M. A; SHABANA Y. M; KHANAN P. N; Processing, characterization and modeling of recycled polypropylene/glass fibre/wood flour composites, Material And Design, n. 58, p. 374 – 380, mar. 2014.
EVALUATION OF ABSORPTION OF SOLAR ENERGY IN PLATES ON RECYCLED POLYPROPYLENE MATRIX COMPOSITE.
ABSTRACT
Application o flow-temperature solar energy can be obtained from flat collector sore vacuated tubes being operated with water as the working fluid. Its applicability is suitable for days with higher incidence of solar rays. Considering the increased use of clean energy, this work aimed to construct collector plates base do polymeric composites with recycled polypropylene matrix. The addition of was to tobacco powder, carbon black and aluminum powder in the formulations had the purpose aid in the absorption of the solar energy collector plates. The plates studied were evaluated under different powers incidence of heat source sand at different times of exposure aiming evaluation of temperature gradient, for application in the composition of solar energy collectors for heating water.
