I Congresso Mineiro de Engenharia e Tecnologia
Engenharia e Tecnologia para o Desenvolvimento NacionalLavras – MG – Brasil, 23 a 27 de Novembro de 2015
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Análise de desempenho de um protótipo de aquecedor de água solar para aquecimento de piso usando materiais alternativos
NÚBIA CAMPOS E SOUSA1, JOÃO ANTÔNIO COSTA DO NACIMENTO2,GABRIEL
CHAVES MOREIRA3, JEFFERSON FRANCISCO FAGUNDES4, FLÁVIO ALVES
DAMASCENO5, LEONARDO SHIASSI6
1Graduanda em Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Lavras, (35)9218-2601, nubinhacampos18@gmail.com 2Graduando em Zootecnia, Universidade Federal de Lavras, (35)9718-3643, jacostadonascimento@gmail.com
3Graduando em Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Lavras, (35)8851-4254, gabrielchaves01@hotmail.com
4Graduando em Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Lavras, (35)9120-0073, iamjeeh@hotmail.com 5Professor Doutor Departamento de Engenharia, Universidade Federal de Lavras, (35)9111-3545,
flavio.damasceno@deg.ufla.br
6Professor Doutor Departamento de Engenharia, Universidade Federal de Lavras, (35)9976-5897,
leonardo.schiassi@deg.ufla.br
Apresentado no
I Congresso Mineiro de Engenharia e Tecnologia – UFLA Lavras – MG, 23 a 27 de Novembro de 2015
RESUMO: O objetivo desta pesquisa foi verificar a eficácia de utilização de um aquecedor de água solar construído com materiais alternativos para aquecimento de pisos. Para tanto, foi desenvolvido um coletor solar de garrafas PET com um reservatório térmico alternativo com o objetivo de obter uma eficácia similar a um boiler utilizado num aquecedor solar convencional. Utilizou-se como reservatório uma caixa-d’água (50 L) de fibra de vidro revestida por placas de EPS (50 mm). O protótipo do aquecedor de água solar foi monitorado juntamente com dois diferentes aquecedores solares convencionais. Para avaliação térmica dos aquecedores, sensores de temperatura (precisão de ± 3% da leitura) foram instalados na tubulação de entrada e saída de cada piso e do reservatório térmico. Os resultados demonstraram um bom desempenho do protótipo de aquecedor solar, podendo ser utilizado em outros sistemas de aquecimento de água.
PALAVRAS–CHAVE: energia solar, coletor alternativo, materiais reaproveitáveis.
Performance analysis of a prototype solar water heater for floor heating using alternative materials
ABSTRACT: The general objective of this research was to determine the effectiveness of using a solar water heater built with alternative materials for floor heating. Therefore, a solar collector plastic bottles (PET) with an alternative thermal tank was developed in order to obtain a similar effect to a solar collector used in conventional solar heating. The alternative thermal tank was built with a water tank fiberglass (50 L) coated EPS boards (50 mm). The prototype of solar water heater was monitored with two different conventional solar heaters. For evaluation of thermal heaters, temperature sensors (accuracy ± 3%) were installed in inlet and outlet of each floor and the thermal water tank. The results showed a good performance of prototype solar water heater, and may also be used in other water heating systems.
INTRODUÇÃO
O crescimento populacional traz contigo a necessidade do abastecimento energético em alta escala. As fontes convencionais comumente utilizadas apresentam indícios de extinção, com isso necessita-se de fontes com grande potencial energético e de preferência que não agrida o meio ambiente.
A energia solar vem como alternativa para solucionar problema, pois é uma fonte inesgotável de energia e não poluente. Com a finalidade de se obter o máximo aproveitamento dessa fonte, têm-se procurado aperfeiçoar os processos de utilização, aumentando sua eficiência.
O Brasil recebe cerca 1013 MWh anualmente, o que corresponde a 50 mil vezes o consumo de energia elétrica em um ano. Isso é possível, devido sua localização geográfica e sua grande extensão territorial (ANEEL, 2005)
Apesar das diferentes características climáticas no Brasil, a média anual de irradiação solar global apresenta boa uniformidade, com médias anuais altas em todo o país. Os valores de irradiação
solar global incidente em qualquer região do país variam de 4,2 a 6,7 kWh/m2, e a região semiárida do
nordeste brasileiro apresenta valores máximos de irradiação solar (PEREIRA et. al, 2006). Os valores
médios mensais de radiação solar global incidente à superfície do Estado de Minas Gerais variam entre246 e 564 cal/cm2/dia (2858 a 6553Wh/m2 (RIBEIRO, C.M.,FERREIRA).
As formas de aproveitamento da energia solar mais tradicionalmente utilizadas são o aquecimento de água e a geração de energia elétrica através da energia solar fotovoltaica (Lopo, 2010).
De acordo com Souza (2000) dispositivos utilizados para a captação da energia solar são chamados de coletores solares, que podem ser classificados de baixa, média e alta concentração dependendo do nível de temperatura requerido. Os coletores mais utilizados para esse fim são os coletores de placa plana que são constituídos de uma caixa isolada termicamente nas partes lateral e inferior. Sobre o isolamento inferior é colocada uma placa absorvedora que pode ser pintada de preto fosco ou com uma tinta seletiva. Nessa placa, pode-se colocar tubos absorvedores ou não, caso o seu uso seja para o aquecimento de água ou de ar, respectivamente. A parte superior do coletor é fechada com uma ou duas placas de vidro plano transparente, dependendo da temperatura que se deseja atingir. O seu funcionamento se baseia na absorção da radiação solar pela placa absorvedora, que transforma esta radiação em calor e o transfere para o fluido de trabalho.
Visando a possibilidade da substituição dos sistemas convencionas por sistemas alternativos, foram desenvolvidos e estudados alguns protótipos de sistemas de aquecimento solar de baixo custo.
Estudos mostram que ao invés de condutores, materiais alternativos e não condutores podem ser perfeitamente utilizados na operação de aquecedores solares (KUDISH et al, 2002)
A instalação de sistemas não convencionais de aquecimento solar de água, ou seja, que utilizam em sua construção materiais de baixo custo, como os tubos de Policloreto de Vinilo (PVC), requererem observação constante. Devido a susceptibilidade dos tubos de PVC atingem seu nível crítico e iniciam a sua degradação em uma temperatura em torno de 60ºC (LOPO, 2010).
Esta alternativa de aquecimento de água através do aproveitamento da energia solar, tem grande aplicabilidade na área da agricultura, podendo utilizá-los para aquecimento de escamoteadores na
maternidade em uma granja de suínos, diversos pesquisadores vêm trabalhado na procura de
metodologias aplicadas no aquecimento de pisos de escamoteadores para leitões, visando maior eficiência energética, bem-estar e desempenho produtivo destes animais, como por exemplo, Sarubbi et al. (2010); Souza et al. (2009); Silva et al. (2008); Campos et al. (2008); Silva et al. (2005); Pandorfi et al. (2005); entre outros, obtendo alguns aspectos positivos e outros negativos em seus resultados.
Aquecimento de água para higienização em salas de ordenhas, segundo SOUZA et al., 2005, no meio
rural, destaca-se a utilização de água quente na cadeia produtiva do leite, a qual é utilizada para a higienização dos equipamentos de ordenha. Dentre outros usos.
Dentro deste contexto, objetivou-se com o presente trabalho verificar a eficácia de utilização de um aquecedor de água solar construído com materiais alternativos para aquecimento de pisos.
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MATERIAL E MÉTODOS Coletores solares
Para realização deste estudo, construiu-se um protótipo de aquecedor de água solar utilizando materiais alternativos e comparou com dois aquecedores de água solar convencional.
O aquecedor de água solar convencional 1 possuia um coletor solar de placa de vidro, fabricado em alumínio extrudado, aletas em alumínio e pintadas em preto fosco para absorver radiação solar e transferir para tubulação interna. Os componentes do reservatório térmico possuia cilindro internos e tubos fabricados com aço inoxidável e poliuretano expandido rígido.
O aquecedores de água solar convencional 2 possuía um coletor solar de placa de PVC, pintado na cor preta fosco e um reservatório térmico fabricado de polietileno de alta densidade e revestido com material térmico .
O protótipo de aquecedores de água solar fabricado com material alternativo foi construído com tubos e conexões de PVC (diâmetro de 1/2”), garrafas PET e caixas de leite (Tetra Pak®). Neste protótipo, as garrafas PET tinha a finalidade de proteger o interior do coletor das interferências externas, como ventos e variações na temperatura. As caixas Tetra Park foram pintadas de preto-fosco para absorver calor, e mantê-lo retido dentro das garrafas para que sejam transferidos pra água através das tubulações de PVC, que também foram pintadas com preto-fosco.
Na construção do protótipo de aquecedor solar alternativo, utilizaram-se 60 garrafas de Politereftalato de Etileno (PET) transparentes de 2 litros. Para isto, retirou-se a tampa e o fundo de cada garrafa. As caixas Tetra Pak® foram abertas pela parte superior e inferior, deixando-as planificadas. Com isto, utilizando um gabarito de corte proposto por Alano (2009) para manter um padrão em todas as caixas. Em seguida, dobrou-se de forma a aproveitar os próprios vincos laterais da embalagem e foram feitos dois cortes na parte de cima, em diagonal, para que fosse possível se encaixar à curvatura interna da garrafa PET, dando também sustentação á caixa e mantendo-a reta e encostada no tubo de PVC. Logo após, pintou-se todas as caixas de tinta preto-fosco.
No processo de montagem do protótipo, utilizou-se 10 colunas com tubos de PVC para água quente, com 6 garrafas em cada coluna, sendo a última garrafa, cortada logo abaixo do bico da parte superior (Figura 1a).
Na construção do reservatório de água quente alternativo, utilizou-se uma caixa d’água de vibra de vidro de 50 litros, revestidas de placas de Poliestireno (30 mm ), fita Silver Tape e manta asfáltica auto adesiva aluminizada (2,5 mm) para proteger as placas de Poliestireno contra as intempéries (Figua 1b). No reservatório, foram feitos quatro furos de 20 mm cada, sendo dois furos para circulação de água entre do reservatório térmico ao coletor solar e os outros dois furos para circulação de água do reservatório térmico para o piso.
(a) (b) (c) Figura 1. Protótipo de aquecedor solar alternativo montado (a), (b) processo de construção do
Para testar os três sistemas de aquecimento de água foram construídos três pisos de argamassa (traço 1:3) nas dimensões 74 cm de comprimento, 46 cm de largura por 7 cm de altura. Para evitar a dissipação de calor no fundo dos pisos, utilizou-se placas de poliestireno de 30 mm. Em cada piso, colocou-se uma tubulação de aço galvanizado de 20 mm, formando uma serpentina, com o objetivo de distribuir uniformemente o calor da água no interior do piso. Os pisos foram deixados em locais com sombra e cobertos com lona plástica, sendo que diariamente eram umedecidos para evitar trincas (Figua 1c). Foi utilizada uma bomba modelo ZC-T40, de tensão 12V e 1,05A.
Instrumentação e coleta de dados
Para testar e avaliar a eficiência de aquecimento dos três sistemas de aquecimento de água, utilizou-se em cada sistema quatro sensores termopares (tipo k) com visor digital, sendo alocados na entrada e saída do reservatório térmico e entrada e saída do piso (Figura 2). Os pisos ficaram dentro de um abrigo de madeira e cobertura de telha de fibro-cimento para evitar a incidência direta da radiação solar sobre a superfície do piso.
Utilizou-se um sensor de infravermelho para medir a temperatura na superfície do piso, onde foram coletados nove pontos.
Os dados de temperatura da água (entrada e saída do reservatório térmico e entrada e saída do piso), temperatura superficial do piso e dados climáticos foram coletados durante 10 dias não consecutivos no mês de julho, nas horas mais quentes do dia (9:00 h às 16:00 h), sendo o intervalo entre as coletas de quinze minutos.
Os dados climáticos ambientais (temperatura do ar, umidade relativa, irradiância, velocidade do vento e direção do vento) foram coletados na a estação meteorológica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (IMPE) localizada cerca de trezentos metros do local de estudo.
Modelo matemático para cálculo da eficiência
Com os dados de temperatura da água (entrada e saída do reservatório térmico e entrada e saída do piso), temperatura superficial do piso e dados climáticos obtidos neste estudo foi possível calcular a quantidade de calor necessária (Q, em kcal) para aquecer um determinado volume de água pela Equação (1), conforme sugerida por Siqueira (2009) e Sprenger (2007).
Q = m x Cp x Δt (1)
Onde: m é o volume de água a ser aquecida (kg); Cp é o calor específico da água (kcal/Kg °C); e Δt é a variação de temperaturas entre a água e ambiente (°C).
A eficiência de aquecimento de cada coletor pode ser calculada pela equação 2: Q
η =
R A (2)
Onde: R é a radiação solar (kcal/m2 h); e A é a área do coletor solar necessária para aquecer a água
(m2).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 apresenta a temperatura superficial do piso, nas horas mais quentes do dia, para os diferentes sistemas de aquecimento testados neste estudo.
Os resultados mostram que o piso aquecido pelo sistema convencional 1 apresentou uma maior temperatura do que os demais, sendo que o sistema alternativo apresentou resultado ligeiramente inferior ao sistema convencional 2. A temperatura média e o desvio-padrão da superfície do piso para os sistemas convencionais 1, 2 e alternativo foram 37,0 ± 2,8 °C, 33,4 ± 2,7 °C e 31,4 ± 2,9 °C, respectivamente. Conforme pode ser observado pela Figura 2, a alta variação nos valores médios das temperaturas na superfície dos pisos, deve-se ao processo de acionamento variável da bomba, ou seja, a bomba era ligada a cada 15 minutos.
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Figura 2. Temperatura da superfície do piso média (°C) durante o período de coleta.
A Figura 3 mostra nas horas mais quentes do dia, o comportamento da temperatura da água de entrada no reservatório térmico. Os resultados mostram que ao longo do dia, a temperatura da água de entrada no reservatório térmico do coletor solar alternativo e convencional 2 encontra-se aproximadamente igual. A variação média da temperaturas da água que entra no reservatório térmico do sistema convencional 1 aos demais foi de 4,8 °C.
Figura 3. Temperatura da água de entrada do reservatório (°C) durante o período de coleta.
A Figura 4 apresenta a temperatura da água de saída do reservatório durante o período de coleta. Conforme pode ser observado, as maiores temperaturas de entrada da água no reservatório no sistema convencional 1, mantendo também uma maior estabilidade da temperatura da água ao longo do dia. As 14:00 horas a água alcançou sua maior temperatura, chegando aos 45°C. Em torno de 15:30 teve um queda, voltando a elevar-se logo em seguida. O sistema convencional 2 teve um comportamento bem semelhante ao do alternativo, com pequenas variações. A temperatura da água de saída começou a eleva-se as 9:00 e manteve-se uma certa estabilidade entre 13:00 e 15:30, período no qual houve uma queda de temperatura, melhor vista no sistema convencional 2.
20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Te mpe ra tu ra su pe rf íc ie p iso (° C ) Tempo (horas) Convencional 1 Convencional 2 Alternativo 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Te mp er a tur a en tr ad a r es erv at ó rio (°C) Tempo (horas) Convencional 1 Convencional 2 Alternativo
Figura 4. Temperatura da água de saída do reservatório (°C) durante o período de coleta.
A Figura 5 mostra a temperatura da água de entrada no piso. Conforme pode ser observado pela Figura 5, o sistema convencional 1, destaca-se com maiores temperaturas da água de entrada, apresentando maiores valores após as 13:00h atingindo temperaturas superiores a 45°C. O sistema convencional 2, apresentou valor de temperatura de entrada no piso ligeiramente maior que o sistema alternativo, após as 12:00h. Os resultados mostram que a temperatura da água de saída do reservatório convencional 1 não sobre grande variação ao longo do dia. Isto deve-se a qualidade dos materiais com baixa resistência térmica utilizados no reservatório térmico.
Figura 5. Temperatura da água de entrada no piso (°C) durante o período de coleta.
A Figura 6 apresenta a temperatura da água de saída no piso durante o período de coleta. Conforme pode ser observado, os valores médios de temperatura da água que sai do piso apresentam comportamento distintos. O gráfico da temperatura de saída de água do piso nos mostra uma queda de temperatura maior no sistema alternativo. Mantendo as temperaturas mais elevadas no sistema convencional 1. 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Te mpe ratu ra saí d a re se rvatór io (°C) Tempo (horas) Convencional 1 Convencional 2 Alternativo 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Temp er a tur a e n tr ada p iso (°C ) Tempo (horas) Convencional 1 Convencional 2 Alternativo
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Figura 6. Temperatura da água de saída no piso (°C) durante o período de coleta.
Com os resultados obtidos em cada sistema de aquecimento, pode-se elaborar a Tabela 1, onde estão explícitas as temperaturas água de entrada (Tentrada) e saída (Tsaída) no reservatório, quantidade de
calor acumulado (Qacumulado), área do coletor (Ac), radiação média (ΣI) e eficiências média de cada (H)
atingida de sistema de aquecimento.
De acordo com a Tabela 1, pode-se observar que a variação de temperatura da água de entrada e saída no sistema convencional 1 é maior. A quantidade de calor (Qacumulado) e área do coletor no
sistema convencional 1 e 2 são praticamente iguais. Entretanto, para uma mesma quantidade de radiação solar (ΣI ) incidente na área experimental, a eficiência do sistema convencional 1 é superior. Este comportamento deve-se principalmente as caracteristicas constrututivas deste coletor.
Tabela 1. Eficiência média dos reservatórios térmicos testados neste estudos.
Sistema Tentrada Tsáida Qacumulado Ac ΣI Η
(°C) (°C) (kW) (m2) (kW/m2) (%)
Convencional 1 37,0 43,7 0,33 1,7 0,391 22,5
Convencional 2 33,4 36,7 0,34 1,73 0,391 10,9
Alternativo 31,4 33 0,25 1,30 0,391 7,0
CONCLUSÕES
Os resultados apresentaram que o sistema alternativo possui uma eficiência térmica inferior aos convencionais, entretanto a construção de coletores solares utilizando materiais alternativos destaca-se pelo forte caráter social e ambiental, em função do custo de construção desprezível e a facilidade operacional, podendo ser construído e utilizado pela comunidade em geral, ou ainda com fins educativos e de pesquisa em escolas e universidades.
REFERÊNCIAS
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