DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LUIZ FERNANDO LANGER
USO DO CALOR IRRADIADO POR UM TANQUE REFRIGERADOR DE LEITE A GRANEL COMO PEQUENO APROVEITAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA
Santa Rosa
USO DO CALOR IRRADIADO POR UM TANQUE REFRIGERADOR DE LEITE A GRANEL COMO PEQUENO APROVEITAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA
Projeto de trabalho apresentado para avaliação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI
Orientador: Prof. Mestre Mauro Fonseca Rodrigues
Santa Rosa
USO DO CALOR IRRADIADO POR UM TANQUE REFRIGERADOR DE LEITE A GRANEL COMO PEQUENO APROVEITAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA
Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador
e pela banca avaliadora do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ.
Santa Rosa, ______ de ____________ de 2018.
COMISSÃO EXAMINADORA:
_____________________________________________ Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Orientador
_____________________________________________ Prof.
À família pelo apoio prestado nesta caminhada.
À Unijuí pela formação.
Agradeço a Deus primeiramente pela vida e por me dar persistência para este trabalho.
Ao Professor Orientador Me. Mauro Fonseca Rodrigues, pelas suas recomendações, sugestões e a dedicação ao trabalho, auxiliando da melhor forma possível.
Epígrafe “O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis.”
Esse trabalho de conclusão de curso tem por objetivo apresentar a viabilidade do uso do calor irradiado pelo tanque refrigerado de leite para aquecimento de água em propriedades rurais. Tal escolha se deu devido ao uso de um resistor que é conectado à rede elétrica para aquecimento de água e que o calor retirado do leite durante seu resfriamento é simplesmente lançado no ambiente. Com o embasamento teórico obteve-se a base para implantação de um protótipo para coleta de dados de aquecimento do sistema. Após é realizado a aplicação de conceitos de Engenharia Econômica para avaliação dos dados e a comparação com propriedades atendidas pelas concessionárias Cermissôes e RGE. A partir das análises realizadas foi possível concluir que a utilização desse calor que é irradiado por um tanque refrigerador de leite é satisfatório devido a custo razoável de implantação e um tempo razoável de retorno mesmo que a taxa de tarifa paga pela propriedade rural é de baixo custo.
Palavras-chave: Pequeno aproveitamento de energia elétrica, distribuição de
This work of course completion aims to present the feasibility of the use of heat irradiated by the refrigerated milk tank for heating water in rural properties. Such choice was due to the use of a resistor that is connected to the electric grid for heating water and that the heat withdrawn from the milk during its cooling is simply released into the environment. With the theoretical basis, the basis for the implementation of a prototype for data collection of system heating was obtained. After the application of Economic Engineering concepts for data evaluation and the comparison with properties served by the Cermissôes and RGE concessionaires, From the analyzes carried out it was possible to conclude that the use of this heat that is irradiated by a milk cooler tank is satisfactory due to the reasonable cost of implantation and a reasonable time of return even if the rate of fare paid by the rural property is low cost.
Keywords: Small use of electric power, distribution of electric power, economic
Figura 1 - Esquema de ciclo simples de refrigeração ... 18
Figura 2 - Compresor semi-hermético ... 19
Figura 3 - Compresor de palhetas simples ... 20
Figura 4 - Compresor de palhetas múltiplas ... 21
Figura 5 - Compresor parafuso simples ... 21
Figura 6 - Compresor parafuso duplo ... 22
Figura 7 - Compresor centrífugo de 2 estágios ... 22
Figura 8 - Condensador a ar de tubos aletados ... 23
Figura 9 - Condensador de tubo duplo ... 24
Figura 10 - Condensador de serpentina e carcaça (shell and tube) ... 24
Figura 11 - Condensador evaporativo ... 25
Figura 12 - Válvula de expansão termostática ... 26
Figura 13 - Válvula de expansão elétrica ... 27
Figura 14 - Evaporador de serpentina ... 27
Figura 15 - Evaporador de placas ... 28
Figura 16 - Classificação de temperaturas ... 30
Figura 17 - Tempo de refrigeração do leite ... 30
Figura 18 - Matriz elétrica brasileira ... 32
Figura 19 - Esquema do arranjo de produção em questão ... 34
Figura 20 - Esquema de adequação no tanque refrigerador ... 36
Figura 21 - Esquema proposto para aquecimento de água ... 36
Figura 22 - Refrigerante utilizado em tanques refrigeradores de leite ... 37
Figura 23 - Equipamento que utiliza refrigerante R22 ... 37
Figura 24 - Condensador utilizado no protótipo... 38
Figura 25 – Evaporador utilizado no protótipo ... 39
Figura 26 – Compressor utilizado no protótipo ... 40
Figura 27 – Acessório utilizado no protótipo ... 41
Figura 28 – Aparição de bolhas no acessório ... 41
Figura 29 – Termômetro utilizado para obtenção de valores de temperatura ... 42
Figura 32 – Gráfico do fluxo de caixa descontado no período de 6 anos ... 53
Figura 33 – Gráfico do saldo do projeto no período de 6 anos ... 53
Figura 34 – Gráfico do fluxo de caixa no período de 8 anos ... 55
Figura 35 – Gráfico do fluxo de caixa descontado no período de 8 anos ... 56
Tabela 1 - Tempo e temperatura dos tanques ... 43
Tabela 2 - Dados utilizados para o cálculo de aproveitamento energético ... 46
Tabela 3 - Economia de energia elétrica em valores para Cermissões ... 50
Tabela 4 - Custo aproximado do protótipo ... 51
Tabela 5 - Valores de VPL e TIR no período de 6 anos ... 51
Tabela 6 - Economia de energia elétrica em valores para RGE... 54
ºC Graus Celsius
COFINS Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social
h Hora
IN Instrução Normativa
kW Quilowatt
kWh Quilowatt-hora
m/s Metros por segundo
MW Megawatt
N Newton
Nº Número
PIS Programa de Integração Social
R22 Refrigerante 22
RGE Rio Grande Energia
R$ Reais
VPL Valor Presente Líquido
TD Temperatura de Desempenho
TIR Taxa Interna de Retorno
TOS Temperatura Operacional de Segurança
1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 OBJETIVO GERAL ... 15 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 16 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 17 2.1 TERMODINÂMICA ... 17 2.1.1 Refrigeradores ... 18 2.1.2 Bombas de calor ... 18 2.1.3 Compressores ... 19 2.1.4 Condensadores ... 23 2.1.5 Dispositivos de expansão ... 25 2.1.6 Evaporadores ... 27
2.2 TANQUES REFRIGERADORES DE LEITE A GRANEL ... 28
2.3 PEQUENOS APROVEITAMENTOS DE ENERGIA ELÉTRICA ... 28
2.4 ENGENHARIA ECONÔMICA ... 32
2.5 OUTROS TRABALHOS SIMILARES ... 33
3 PROTÓTIPO ... 35 3.1 PROCESSO ORIGINAL ... 35 3.2 PROCESSO PROPOSTO ... 36 3.2.1 Condensador ... 38 3.2.2 Dispositivo de expansão ... 38 3.2.3 Evaporador ... 38 3.2.4 Compressor ... 39 3.2.5 Acessório ... 39 4 DADOS OBTIDOS ... 42
5.1 ECONOMIA DE ENERGIA ... 49
5.2 CUSTO ESTIMADO DO PROTÓTIPO ... 50
5.3 ECONOMIA DE ENERGIA 2 ... 54
6 CONCLUSÃO... 58
REFERÊNCIAS ... 59
ANEXO A - CONTA DE ENERGIA CERMISSÕES ... 61
1 INTRODUÇÃO
Nesse estudo será abordado um possível uso do calor irradiado por um tanque refrigerador de leite a granel para aquecimento de água como pequeno aproveitamento de energia. Esse estudo tem objetivo de verificação de redução de consumo de energia elétrica em propriedades rurais que utilizam um resistor de potência de 3000 W para aquecimento de água.
Conforme a Instrução Normativa Nº 51 (IN 51) do Ministério da Agricultura, Pecuária de Abastecimento de 18 de setembro de 2002, esse leite chega no
resfriador e precisa ser resfriado pelo mesmo até chegar a 4 graus Celsius (IN 51, 2002).
No manual do proprietário de uma ordenha canalizada da marca Sulinox, a temperatura da água para limpeza de equipamentos utilizando detergente alcalino a água precisa estar entre 70 e 80 graus Celsius. E para a limpeza com detergente ácido, a temperatura da água precisa estar em 50 graus Celsius (SULINOX,?).
Para a marca Sulinox, a limpeza do resfriador a granel após a coleta do leite, se utiliza água a 45 graus Celsius com uso de detergente ácido ou alcalino (SULINOX,?).
Segundo manual técnico do reservatório térmico da marca Tempersol, essa resistência elétrica possui potência elétrica com potência de 3000 W sendo que esta resistência deve ser conectada a uma rede de tensão monofásica de 220 V (TEMPERSOL,?).
Analisando o fator de que para aquecer a água consumida para limpeza desses equipamentos é utilizada energia elétrica e que o resfriador para resfriar o leite precisa retirar o calor do leite e habitualmente lançá-lo no ambiente verificar se uma possível utilização deste calor para aquecer a água utilizada para limpeza visando a redução do uso da resistência elétrica com isso economizando energia elétrica.
A questão dessa utilização é de se verificar o quanto que se consegue reduzir o consumo de energia elétrica e quanto que isso impacta numa propriedade rural com uma produção diária de 1000 litros de leite por dia.
Também verificar se esse uso desse calor possa que enquadrar como um pequeno aproveitamento de energia, visando num aproveitamento de algo que normalmente é rejeitado pelo sistema no ambiente de uma forma direta pelo condensador com o ar atmosférico.
Outra questão dessa utilização envolve os custos de produção de leite e se houver redução de consumo de energia elétrica no processo também se reduzindo o custo de produção de leite.
Ressaltando que essa oportunidade de estudo serve para poder fazer a aplicação dos conhecimentos adquiridos durante o curso de Engenharia Elétrica. Engloba-se aqui a oportunidade de poder explicar como funciona um sistema de refrigeração, quais suas partes e também sua gama de utilizações.
Para a investigação da possibilidade de uso desse calor irradiado por um resfriador a granel será necessário realizar uma revisão bibliográfica sobre esse assunto e junto a isso a análise prática do mesmo, para coleta de informações concretas a respeito do projeto. Com a revisão bibliográfica pensa-se em trazer os conhecimentos sobre termodinâmica, sistemas de refrigeração e a construção de um resfriador a granel.
1.1 OBJETIVO GERAL
O estudo do uso do calor irradiado para aquecimento de água e a construção de um protótipo para o auxílio neste estudo verificando a diminuição de consumo de energia elétrica por uma resistência elétrica de potência de 3000 W.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Além do objetivo geral do trabalho, os objetivos específicos propostos para o trabalho são:
- Revisar a bibliografia sobre termodinâmica.
- Revisar a bibliografia sobre refrigeração.
- Revisar a bibliografia sobre resfriadores a granel.
- Analisar outros trabalhos sobre aproveitamentos elétricos a partir de sistemas de aquecimento.
- Realizar o projeto de um protótipo para implementação.
- Construir um protótipo para aquisição de dados.
- Implementar o protótipo na prática.
- Coletar e analisar os dados.
- Realizar os cálculos para o rendimento do processo energético.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
No capítulo 2 é apresentado o embasamento teórico para o trabalho. Nesse capítulo traz alguns conceitos sobre termodinâmica, partes que compõe o sistema de refrigeração e norma que rege sobre fabricação de tanques refrigeradores de leite a granel.
No capítulo 3 é apresentado o protótipo sugerido. É descrito como funciona o processo original, e é apresentado uma proposta de um outro processo. Também é apresentado o protótipo com suas partes principais.
No capítulo 4 são apresentados os dados colhidos com o protótipo em questão. É destacado algum problema com o protótipo e para a análise este problema é refinado e descartado. Com os dados colhidos há uma análise prévia de quanto de energia é economizada no processo.
No capítulo 5 há a análise dos dados. É levado em consideração tarifa de duas companhias de distribuição de energia elétrica para apurar valores de economia de energia. É também estipulado o custo do protótipo em si e alguns cálculos de viabilidade econômica.
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos envolvendo o trabalho.
2.1 TERMODINÂMICA
Conforme Villas Bôas (?, p 104), “A termodinâmica estuda as transformações e as relações existentes entre dois tipos de energia: energia mecânica e energia térmica”.
Quando o princípio da conservação da energia é aplicado na termodinâmica tem-se a primeira lei da termodinâmica onde em todo sistema termodinâmico haverá uma função característica que é denominada de energia interna e se existir a variação dessa energia interna entre dois estados poderá ser determinada entre a diferença de quantidade de calor e trabalho trocados com o meio exterior ao sistema.
No estudo sobre a termodinâmica de gazes perfeitos, encontra-se algumas transformações particulares que são as transformações isotérmicas, as isométricas, as isobáricas e as adiabáticas.
Nas transformações isotérmicas a temperatura do sistema não se altera e com isso sua energia interna se mantém nula. Nas transformações isométricas o volume do gás se mantém de forma constante e devido a isso o sistema não acaba trocando trabalho com o meio externo. Nas transformações isobáricas o que se mantém constante é a pressão. Nas transformações adiabáticas não existe troca de calor do sistema para o meio externo.
Segundo Moran (2013, p 141), “Os compressores e bombas são dispositivos nos quais o trabalho é realizado sobre uma substância em escoamento ao longo dos mesmos, de modo a mudar o estado da substância, normalmente aumentar a pressão e/ou a elevação”.
2.1.1 Refrigeradores
O processo de transferência de calor de forma natural acontece de um meio com temperatura mais alta para um meio com temperatura mais baixa, mas o processo inverso não ocorre de maneira espontânea. Esse processo necessita de dispositivos especiais denominados de refrigeradores.
Esses dispositivos possuem um evaporador, um compressor, um condensador e uma válvula de expansão. Nesses dispositivos o refrigerante chega ao compressor em forma de vapor onde é comprimido e entregue ao condensador a uma pressão elevada e temperatura elevada. Conforme o refrigerante percorre o condensador este se resfria e se condensa à pressão constante. Após isso o refrigerante passa por um sistema de expansão que no caso é um tubo capilar reduzindo a pressão e temperatura de forma drástica. No evaporador o refrigerante a baixa temperatura e pressão vaporiza-se ao receber calor do ambiente refrigerado. O ciclo se conclui quando o refrigerante sai do evaporador e retorna ao compressor como é demonstrado na figura 1.
Figura 1 - Esquem a de ciclo sim ples de refrigeração.
Fonte: SONNTAG (? , p 5).
2.1.2 Bombas de calor
As bombas de calor têm o mesmo processo dos resfriadores mas o propósito é distinto. Enquanto os refrigeradores objetivam-se a manter a temperatura baixa um ambiente refrigerado, as bombas de calor objetivam-se a manter um
ambiente aquecido a uma temperatura alta. Isto ocorre quando se pretende manter uma casa aquecida no inverno onde retira-se calor do meio externo que é frio e descarrega esse calor no meio interno como da casa.
2.1.3 Compressores
Os tipos de compressores frigoríficos são: alternativo, rotativo, parafuso e centrífugo.
2.1.3.1 Compressores alternativos
O compressor alternativo é um tipo de compressor usado em refrigeração. Esse compressor consiste em um pistão ou êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro na forma de vai-e-vem. Os compressores alternativos podem ser de três tipos que são o aberto, semi-hermético e hermético. Eles podem ser com um cilindro ou vários cilindros dependendo da utilização.
Os compressores abertos são acionados por um motor externamente à sua carcaça.
Os compressores semi-herméticos possuem o compressor como o motor de acionamento incorporados a mesma carcaça onde tem se o acesso aos componentes do compressor conforme figura 2.
Figura 2 - Com pressor sem i-herm ético
Fonte: HUNDY (2008, p 45).
Os compressores herméticos possuem o compressor e o motor na mesma carcaça como nos compressores semi-herméticos mas esses compressores de
diferem pelo fato de os compressores herméticos não possuírem acesso aos seus componentes, só tendo o acesso as conexões de aspiração e descarga de fluido refrigerante e aos terminais elétricos
2.1.3.2 Compressor rotativo de palhetas
Os compressores de palhetas simples possuem uma palheta que faz a divisão entre as câmaras de aspiração de refrigerante e descarga e possui uma mola que atua na palheta para que a palheta mantenha contato com o rotor. O rotor tem o diâmetro menor que o do cilindro e o eixo desse rotor é deslocado do centro, com isso se consegue manter o contato com a parede do cilindro e deslocando as câmaras durante o giro do rotor, demonstrado na figura 3.
Figura 3 - Com pressor de palhetas sim ples
Fonte: STOECKER (1985, p 246).
A figura 4 mostra que os compressores de palhetas múltiplas possuem várias palhetas que estão inseridas no rotor. Esse rotor tem o diâmetro menor que do cilindro mas difere do compressor de palhetas simples que o eixo do rotor coincide com o mesmo e o centro do rotor está deslocado do centro do cilindro. As palhetas mantêm o contato com a parede do cilindro pela força centrífuga aplicada a elas durante o funcionamento do compressor.
Figura 4 - Com pressor de palhetas m últiplas.
Fonte: STOECKER (1985, p 247).
2.1.3.3 Compressor rotativo parafuso
Os compressores parafuso podem ser de parafuso simples e parafuso duplo. Os compressores de parafuso simples consistem em um único parafuso encaixado em duas rodas que estão dispostas transversalmente e esse parafuso está conectado diretamente ao motor demonstrado na figura 5.
Figura 5 - Com pressor parafuso sim ples .
Fonte: STOECKER (2002, p 109).
Na figura 6 é apresentado o compressor parafuso duplo. Nos compressores de parafuso duplo, existe dois parafusos onde um deles é denominado macho e o outro de fêmea. O parafuso macho tem quatro lóbulos enquanto que o parafuso fêmea apresenta seis reentrâncias e esses lóbulos e reentrâncias se encaixam para que durante o giro dos parafusos ocorra a compressão do fluido refrigerante.
Figura 6 - com pressor parafuso duplo .
Fonte: HUNDY (2008, p 59).
2.1.3.4 Compressor centrífugo
Os compressores centrífugos pela sua forma de construção possuem semelhança com a bomba centrífuga. As pás do rotor por ação centrífuga sugam o fluido refrigerante por uma abertura no seu centro, desloca-o para a periferia. Como as pás do rotor estão em alta velocidade, o fluido é imprimido a ter uma grande velocidade com isso elevando sua pressão. Os compressores centrífugos podem ter um único estágio como podem ter múltiplos estágios. A figura 7 apresenta um compressor centrífugo de 2 estágios.
Figura 7 - Com pressor centrífugo de 2 estágios.
2.1.4 Condensadores
Segundo Costa (1982, p 89) “O condensador tem por finalidade esfriar e condensar o vapor superaquecido, proveniente da compressão, nas instalações de refrigeração mecânica por meio de vapores”. Esse processo ocorre transferindo calor do fluido aquecido pela compressão para um meio como exemplo água ou ar. Os condensadores podem ser de três tipos: os que são resfriados a ar, os resfriados a água e os evaporativos.
Os condensadores resfriados a ar utilizam o ar para extrair o calor para o resfriamento do fluido. Esses condensadores são aplicados em refrigeradores domésticos, refrigeradores comerciais, algumas câmaras frigoríficas e também em equipamentos de ar condicionado. Os condensadores a ar podem apresentar-se em forma de serpentina, sendo esses de tubos lisos ou com aletas sendo o de tubos aletados apresentado na figura 8.
Figura 8 - condensador a ar de tubos aletados .
Fonte: CRUZ (1982, p 103)
Os condensadores a água utilizam a água para extrair o calor para o resfriamento do fluido. Esses condensadores podem ser submersos, onde é constituído por serpentina que por onde passa o fluido refrigerante e essa serpentina está submersa em tanque com água corrente; de duplo tubo onde são construídos com dois tubos de diâmetros diferentes sendo um inserido no outro ligado por meio de conexões apropriadas que faz com que a água possa passar pelo tubo interno e o fluido refrigerante pelo espaço que fica entre um tubo e o outro sendo mostrado na figura 9.
Figura 9 – condensador de duplo tubo.
Fonte: CRUZ (1982, p 93).
Na figura 10 é apresentado o condensador de serpentina e carcaça. Os condensadores de serpentina e carcaça constituem-se em uma carcaça fechada e onde é disposta uma serpentina de tubo que por onde circula água para efetuar a retirada de calor do fluido refrigerante.
Figura 10 – condensador de serpentina e carcaça (shell and tube) .
Fonte: CRUZ (1982, p 94).
Os condensadores evaporativos retiram calor do fluido refrigerante com a mistura de ar a água de forma que a água é borrifada nos tubos do condensador e ainda existe uma corrente de ar que passa pela superfície externa dos tubos podendo ser de forma natural ou forçada mostrado na figura 11.
Figura 11 – condensador evaporativo.
Fonte: STOECKER (2002, p 189).
2.1.5 Dispositivos de expansão
Segundo Cruz (1982, p 131) “ As válvulas de expansão são utilizadas nos sistemas de refrigeração mecânica por meio de vapores para provocar a expansão do fluido frigorígeno liquefeito, desde a pressão de condensação até a pressão de vaporização do ciclo”. E ainda conforme STOECKER (1985, p 290) “ O dispositivo de expansão tem duas finalidades: a de reduzir a pressão do refrigerante líquido e a de regular a vazão do refrigerante que entra no evaporador”. Os principais tipos de dispositivos de expansão são o tubo capilar, a válvula de expansão termostática, a válvula de boia, a válvula de expansão de pressão constante e válvula de expansão elétrica.
Os tubos capilares são constituídos por um tubo que pode ter diâmetro interno compreendido entre 0,5 milímetros a 2 milímetros e apresentando comprimento que varia de 1 até 6 metros. O fluido quando passa pelo tubo capilar acaba perdendo pressão conforme percorre o tubo por causa do atrito e aceleração do fluido.
A válvula de boia é um dispositivo que tem a finalidade de manter um nível de líquido podendo estar esse líquido estar em um recipiente ou no evaporador de forma constante. Essas válvulas podem ser de baixa pressão e de alta pressão. As válvulas de boia de baixa pressão fazem o controle de nível de líquido no evaporador na baixa pressão. As válvulas de boia de alta pressão fazem o controle
de nível de líquido na alta pressão e tem a característica de manter o condensador sem líquido.
A válvula de expansão termostática tem seu controle através do superaquecimento do fluido que deixa o evaporador. Essa válvula regula a vazão de fluido conforme a temperatura em que o fluido sai do evaporador onde é apresentado na figura 12.
Figura 12 – Válvula de expansão termostática.
Fonte: STOECKER (1985, p 304).
A válvula de expansão a pressão constante mantém uma pressão de vaporização do fluido constante e consequentemente a temperatura do evaporador se mantém constante.
A válvula de expansão elétrica possui um termistor que serve de sensor para detectar se existe fluido refrigerante na forma líquida na saída do evaporador. Quando não acontece de existir líquido na saída do evaporador haverá um aumento na temperatura do termistor, o que ocasiona a diminuição da resistência, permitindo maior passagem de corrente elétrica no circuito que tem ainda um aquecedor instalado na válvula. Com isso a válvula abrirá permitindo a passagem em maior quantidade de fluido refrigerante conforme a figura 13.
Figura 13 – Válvula de expansão elétrica.
Fonte: STOECKER (1985, P 308).
2.1.6 Evaporadores
Os evaporadores são dispositivos que fazem a retirada de calor do meio. A retirada do calor pode ser feita usando fluido refrigerante de forma direta ou com o uso de algum fluido intermediário. Esses evaporadores podem trabalhar de forma seca, isto é, fazem com que o fluido refrigerante saia em forma de vapor ou completamente cheios de líquido onde exigem separador de líquido. Os evaporadores podem apresentar em forma de serpentina ou em forma de placas onde os de serpentina fazem a retirada de calor de maneira direta sendo este apresentado na figura 14.
Figura 14 – Evaporador de serpentina.
Os evaporadores de placas fazem essa retirada de maneira intermediária conforme figura 15.
Figura 15 – Evaporador de placas.
Fonte: STOECKER (2002, p 114).
2.2 TANQUES REFRIGERADORES DE LEITE A GRANEL
A Instrução Normativa Nº 53 de 16 de agosto de 2002 regulamenta sobre a fabricação, funcionamento e ensaios de eficiência para tanques refrigeradores de leite.
Os materiais que compõem o corpo interno do tanque e os acoplamentos que estarão ou possam estar em contato com o leite necessariamente precisam ser fabricados em aço inox AISI 304 ou aço inox austenítico, não magnético, com quantidade de cromo não sendo inferior a 18% e de níquel não inferior a 8%. As juntas que compõem o tanque precisarão ser soldadas, retificadas e apresentarem resistência mecânica e a corrosão (IN 53, 2002).
A parte interna do tanque precisa ser projetado para que o volume nominal seja entre 90% e 95% do volume máximo. A parte externa do tanque precisa ser rígida, evitar que ingresse dentro do tanque e ter escoamento livre.
O tanque precisa ter uma ou mais tampas que encaixa no tanque e tenha bordas voltadas para baixo. A tampa necessita apresentar abertura para entrada de leite tendo diâmetro variando entre 40 milímetros e 210 milímetros sendo que a
entrada do leite possa ser de forma manual ou canalizada. Essas aberturas precisam ser providas de bordas voltadas para cima tendo no mínimo 5 milímetros de altura quando a abertura for de até 70 milímetros de diâmetro e de 10 milímetros de altura quando a abertura for maior que 70 milímetros de diâmetro. Essas aberturas necessitam ter uma tampa ou defletor de sobreposição. Quando os tanques são projetados para serem limpos de forma manual, as tampas devem ser construídas de forma que possam ser abertas facilitando a limpeza da parte interna do tanque. Tendo o caso de as tampas terem dobradiças, essas precisam ter um suporte seguro quando abertas e também proverem de dispositivos para garantir a segurança daquele que for fazer a limpeza do tanque.
O agitador não deverá apresentar peças salientes no eixo sendo exceção as pás. As pás não devem ter bordas afiadas. Quando o agitador for acoplado à tampa tendo força periférica acima de 50 N e/ou com velocidade periférica acima de 1,8 m/s, um dispositivo precisa ser instalado para o desligamento do agitador quando a tampa for levantada e em equipamentos onde o agitador não é desligado de forma automática é necessário que na tampa precisa existir um indicador de forma visível avisando que o agitador deverá ser desligado antes da tampa ser aberta. O agitador precisa dispor de vedações no eixo para que alguma substância que possa causar contaminação entre no tanque.
A parte de controle de temperatura precisa funcionar de forma satisfatória tendo qualquer volume de leite que esteja entre 10 % e 100 % do volume nominal do tanque e com temperatura do leite entre 0 C e 35 C. Necessita suportar temperaturas de -10C a 70 C dentro do tanque e temperatura ambiente que variem de -10 C até a temperatura operacional de segurança (TOS) onde o TOS significa o limite superior da faixa de temperatura ambiente em que o tanque refrigerador de leite precisa funcionar de forma eficaz.
O desempenho do tanque é especificado de acordo com o número de ordenhas, temperatura de desempenho e tempo de refrigeração do leite. O número de ordenhas é indicada por um numeral sendo que o número 2 indica um tanque para 2 ordenhas e o número 4 indica um tanque para 4 ordenhas. A temperatura de desempenho (TD) que se refere a temperatura ambiente a ser usada quando se faz a medição de tempo de resfriamento de leite e a temperatura de operacional de
segurança é indicado pela figura tal onde cada classificação de temperatura é indicada por uma letra como mostra a figura 16.
Figura 16 - Classificação de tem peraturas .
Fonte: Instrução Normativa 53
O tempo de refrigeração do leite é apresentado pela figura 17, onde cada tempo de refrigeração é indicado por um número romano.
Figura 17 - Tem po de refrigeração do leite .
Fonte: Instrução Normativa 53.
O sistema de refrigeração precisa ter capacidade de resfriar o leite contido em volume nominal quando for um tanque de duas ordenhas ou 50 % do volume nominal quando for de quatro ordenhas num período de 24 horas de uma temperatura de 35 C para 4 C e ainda o calor que o tanque ganha de outras fontes.
O tanque precisa eficiência no isolamento térmico de forma que quando da temperatura de desempenho especificada a elevação da temperatura do leite quando este estiver em 4 C não aumente mais de 1 C em 4 horas quando o volume nominal fique estacionado.
O tanque necessita ter uma placa, ficando essa em lugar visível onde que se especifique de forma legível os seguintes itens: nome ou marca do fabricante; tipo e número de série; volume nominal sendo esse em metros cúbicos ou em litros; classe de desempenho com no mínimo três símbolos sendo o primeiro o número de ordenhas, o segundo a temperatura de desempenho e o terceiro o tempo de refrigeração; identificação do refrigerante quando o evaporador fizer parte do tanque.
2.3 PEQUENOS APROVEITAMENTOS DE ENERGIA ELÉTRICA
Segundo Farret (2014, p 15) “ Pequeno aproveitamento elétrico é toda forma de utilização de qualquer uma das várias fontes de energia encontradas na natureza, passíveis de serem economicamente convertidas em energia elétrica até um limite legal de 30 MW no Brasil, e de 5 MW em outros países”. No Brasil, a nomenclatura classifica as microcentrais aquelas que possam gerar energia elétrica até 100 kW, as minicentrais aquelas que produzam energia entre 100 kW e 1 MW, as pequenas centrais aquelas que produzam energia entre 1 MW e 30 MW e as grandes centrais que produzam energia a partir de 30 MW.
As minicentrais, pequenas centrais e grandes centrais tem característica de terem fins comerciais, e comumente abastecem vários consumidores. Como essas centrais abastecem vários consumidores, tendem seguir normas legais complexas. As microcentrais estão praticamente livres de normas legais. Essas têm grande dependência de carga onde estão conectadas para controle de tensão e frequência.
Na figura 18 apresenta a porcentagem ofertada por cada tipo de energia na matriz elétrica brasileira. Há o predomínio da energia hidráulica com 68,1 %, seguido pelo gás natural com 9,1 % e pela biomassa com 8,2 %. As outras fontes somam 14,6 %.
Figura 18 – Matriz elétrica brasileira.
Fonte: EPE (2017, pg 31).
2.4 ENGENHARIA ECONÔMICA
A Engenharia Econômica e Avaliações faz a avaliação sistemática dos aspectos econômicos de soluções propostas para problemas de Engenharia, ou seja, utiliza constantemente a matemática que trata do cálculo de juros, das equivalências de valores, da determinação de valores presentes e futuros (OLIVEIRA, 2000).
Esta área mais especificamente, fornece métodos que permitem tomar decisões referentes à economia (como os investimentos, comparações de alternativas, aquisição de equipamentos e sistemas) de forma a reduzir custos e potencializar benefícios para alguma organização.
Segundo Santos (2001) às decisões de investimentos são importantes para a empresa porque envolvem valores significativos e geralmente têm um alcance de longo prazo.
Dentro da gama de métodos que se utiliza nesta área, em específico neste trabalho, serão utilizados os métodos descritos abaixo:
• Payback ou Tempo de recuperação do Capital (PB): este método calcula o investimento total e a economia que o investimento proporcionará por ano. É utilizado para analisar o tempo que o benefício se iguala ao investimento.
• Valor Presente Líquido (VPL): determina o valor presente de uma série de pagamentos futuros descontados a uma taxa de juros apropriada, menos o custo de capital estipulada. Usado normalmente para análises de retorno de projetos ou valoração de empresas.
• Taxa Interna de Retorno (TIR): é a fórmula que calcula a taxa de desconto que teria um determinado fluxo de caixa para igualar a zero seu Valor Presente Líquido (VPL). Em outras palavras, ela mede a rentabilidade pela qual o capital está sendo remunerado em um determinado período de tempo, ou ainda, quanto maior a TIR, melhor e mais lucrativo será o projeto ou novo negócio. Também é utilizado para valoração de empresas ou análises de retorno de projetos.
2.5 OUTROS TRABALHOS SIMILARES
Foi realizada uma revisão bibliográfica para encontrar outros trabalhos similares. A seguir são apresentadas algumas obras encontradas.
Um artigo de Baldassin Jr. (2006) faz a descrição de uso de bombas de calor em propriedades leiteiras. De início é destacado que o leite é um produto na agropecuária nacional abrangendo cerca de dois terços das propriedades rurais do Brasil, sendo o segundo maior rebanho do mundo e tendo uma representativa participação na economia nacional. Neste artigo é apresentado uma avaliação de uso de energia numa propriedade leiteira no interior do estado de São Paulo no processamento de leite cru refrigerado.
Na figura 19 é apresentado um esquema de arranjo encontrado na propriedade envolvida no artigo. No ponto 1 aparece o processo de ordenha no qual era realizado por uma ordenha mecânica, tendo 10 pontos de extração sendo que são 5 extrações simultâneas e empregando um sistema de vácuo com um motor elétrico de potência nominal de 2,2 kW. No ponto 2 é processo resfriamento que era empregado um tanque refrigerador de expansão direta de capacidade de 1920 litros com operação em 4 ordenhas. No ponto 3 era realizado a coleta de leite.
Figura 19 – Esquema do arranjo de produção em questão.
Fonte: BALDASSIN (2006).
Na figura 20 tem o esquema da adequação realizada no tanque refrigerador de leite. Neste esquema foi inserido no sistema um trocador de placas para aproveitar o calor do processo de condensação que geralmente é descartado no ambiente para aquecer a água. Com isso, tem-se simultaneamente, em um equipamento, a geração de frio e calor.
Figura 20 – Esquema de adequação no tanque refrigerador .
3 PROTÓTIPO
A partir dos dados avaliados foi possível conceber um protótipo de dispositivo para compensação energética no processo de aquecimento de água.
3.1 PROCESSO ORIGINAL
A ideia para concepção do sistema partiu da percepção a respeito do gasto de energia elétrica por parte dos produtores de leite que utilizam o equipamento convencional. Ou seja, eles utilizam um equipamento para aquecer a água com a finalidade de efetuar a limpeza dos equipamentos.
Esse refrigerante não tem reação de deterioração com o cobre, alumínio, ferro e aço. Também vale ressaltar que ele não é propagante de chama.
Nesse sistema convencional é utilizado um resistor para dissipação de calor e aquecimento de água. Esse dispositivo possui um valor de potência de 3000 W e leva em torno de 1,51 horas para aquecer o volume de água de um tanque de 85 litros. A temperatura recomendada para uso dessa água é 70 ºC. Para alcançar essa temperatura o sistema utiliza energia elétrica, utilizando cerca de 4,54 kWh, em média, a partir da potência dissipada, tempo estimado e temperatura inicial da água. A temperatura inicial desse sistema é de 24 ºC.
Esse resistor usa o Efeito Joule e esse efeito transforma energia elétrica em energia térmica. O Efeito Joule ocorre num condutor quando este é submetido a uma diferença de potencial e um campo elétrico nesse condutor é estabelecido, sendo percorrido por corrente elétrica.
As forças elétricas criadas por esse campo elétrico aceleram os elétrons livres contidos no condutor num determinado sentido, com isso os elétrons ganham velocidade naquele sentido. Durante o movimento dos elétrons, esses acabam colidindo com cátions do retículo cristalino do material de que o condutor é feito perdendo velocidade. Mas como as forças elétricas ainda atuam no condutor, os elétrons livres ganham velocidade no sentido anterior e acabam colidindo novamente com cátions. O movimento de ganho de velocidade dos elétrons e colisão com os cátions ocorre sucessivamente.
Com a colisão dos elétrons livres com os cátions, os cátions começam a oscilar e essas oscilações ganham amplitudes maiores acarretando em elevação da temperatura do condutor.
3.2 PROCESSO PROPOSTO
A partir dos dados obtidos na revisão bibliográfica foi montada a concepção de um protótipo para aproveitar o potencial existente e verificar, na prática, a possibilidade de implementação do sistema proposto. A Figura 21 apresenta o esquema.
Figura 21 – Esquema proposto para aquecimento de água.
Fonte: do autor.
Para a construção do protótipo verificou-se como os tanques refrigeradores a granel eram constituídos como, por exemplo, o tipo de gás refrigerante utilizado. No caso é utilizado o refrigerante R22 ou CHClF2 (monoclorodifluormetano) conforme mostra a figura 22.
Figura 22 – Refrigerante utilizado em tanques resfriadores de leite.
Fonte: do autor.
Para a montagem do protótipo verificou-se outros equipamentos que utilizassem o refrigerante R22 e optou-se por usar partes de condicionadores de ar tipo Split. Na Figura 23 mostra um modelo que opera com esse refrigerante.
Figura 23 – Equipamento que utiliza refrigerante R22.
Fonte: do autor.
O condensador tem o propósito de resfriar e de condensar o refrigerante. O refrigerante aquece devido a ação do compressor que o comprime. Esse calor necessita ser transferido para algum meio e um meio é o ar. O condensador é confeccionado com tubos de cobre e nesses tubos existe aletas para melhorar a troca de calor com o ar. Um condensador utilizado no protótipo é mostrado na figura 24.
Figura 24 – Condensador utilizado no protótipo .
Fonte: do autor.
3.2.2 Dispositivo de expansão
O dispositivo de expansão destina-se a reduzir a pressão do refrigerante que está no estado líquido e junto a isso regular a vazão de refrigerante que entra no evaporador. Um tipo de dispositivo de expansão é o tudo capilar. O refrigerante perde pressão quando está percorrendo o tubo capilar devido ao atrito e também a aceleração do refrigerante.
3.2.3 Evaporador
O evaporador destina-se a efetuarem a retirada de calor de um meio. Nesse sistema o evaporador mantém contato direto com o meio. Esse evaporador trabalha de forma seca fazendo com que o refrigerante acaba saindo em forma de vapor. No
protótipo o evaporador é constituído por tubos de cobre e nos tubos estão instalados aletas para ter melhor contato com o meio, com isso tendo melhor retirada de calor. O evaporador utilizado é mostrado na figura 25.
Figura 25 – evaporador utilizado no protótipo.
Fonte: do autor.
3.2.4 Compressor
O compressor é o equipamento que faz a compressão do refrigerante. No protótipo foi utilizado um compressor tipo hermético, que é um compressor praticamente fechado, com acesso aos bornes de entrada de energia e aos dutos de descarga e sucção. Esse compressor é apresentado na figura 26.
Figura 26 – Compressor utilizado no protótipo .
Fonte: do autor.
3.2.5 Acessório
O acessório proposto é instalado entre o compressor e o condensador. Este acessório tem por finalidade rejeitar calor como um condensador sendo que estará imerso em água. Esse acessório tem a mesma função de um condensador. Ele é constituído por tubos de cobre e esses tubos estão conectados aletas para que a troca de calor seja melhorada. O acessório utilizado no protótipo é mostrado na figura 27.
Figura 27 – Acessório utilizado no protótipo.
Fonte: do autor.
Durante o funcionamento do protótipo notou-se a criação de bolhas ao redor do acessório que está imerso em água. Isto é mostrado na figura 28.
Figura 28 – Aparição de bolhas no acessório.
4 DADOS OBTIDOS
Com objetivo de analisar a viabilidade econômica e técnica do novo sistema proposto, para uso nos resfriadores de leite, foi realizado teste para análise do aquecimento que este protótipo forneceria.
A partir do protótipo construído foi possível medir os valores de energia e realizar os testes necessários para extrair dados e poder obter a avaliação do novo processo proposto.
Um instrumento de medição utilizado para obtenção dos valores de temperatura foi um termômetro digital tipo espeto mostrado na figura 29. Este termômetro tem uma faixa de operação de temperatura entre -45 ºC a 230 ºC, tendo resolução de 0,1 ºC e exatidão de ±1 ºC na faixa de temperatura entre -20 ºC e 80 ºC (INCOTERM,?).
Figura 28 – Termômetro utilizado para obtenção dos valores de temperatura.
Fonte: do autor.
Os dados coletados são mostrados na Tabela 1. Quando no tempo 00:00 são medidas as temperaturas dos recipientes onde, em um recipiente, é retirado calor e no outro esse calor é rejeitado; durante o processo a cada tempo decorrido descrito na tabela é levantado a temperatura de cada recipiente.
Tabela 1 – Tempo e temperaturas dos tanques. Tempo (h) Temperatura do tanque de resfriamento (°C) Temperatura do tanque de aquecimento (°C) 00:00 22,2 22,2 00:15 22,2 23,8 00:25 21,6 24,1 00:45 19 30 01:04 16,4 34,2 01:25 14,1 38,8 01:45 11,5 42,5 02:05 9,8 45,3 02:25 8,3 48 02:45 7 50 03:05 5,8 51,4 03:25 4,8 52,8 Fonte: do autor.
Observa-se no gráfico a evolução das temperaturas nos tanques conforme o tempo de funcionamento vai evoluindo. Nos primeiros 25 minutos verifica-se que as temperaturas não se alteram com grande velocidade no qual se necessitou proceder um ajuste do protótipo.
Esse ajuste consistiu em adicionar mais refrigerante ao sistema. De início o equipamento foi ajustado com a quantidade de 800 gramas de refrigerante antes do protótipo ser utilizado para a aquisição dos dados. Após o acionamento e iniciada a coleta dos dados, o protótipo foi sendo monitorado e durante os primeiros 25 minutos de funcionamento verificou-se a necessidade de adicionar mais refrigerante ao sistema. Necessitou-se adicionar mais 600 gramas de refrigerante totalizando 1400 gramas de refrigerante no sistema. Isso ocorreu porque anteriormente o sistema tinha um percurso menor para o refrigerante percorrer. Com a nova adaptação, esse percurso foi estendido, necessitando de mais refrigerante para realizar a mesma função.
A figura 30 apresenta a evolução da temperatura no tanque de resfriamento, que representa o leite para ser resfriado no recipiente destinado ao mesmo no equipamento. Neste caso foi utilizada água neste tanque para o teste.
Na mesma figura também mostra a evolução da temperatura no tanque de aquecimento, que é utilizado água para limpeza dos equipamentos de ordenha, onde originalmente é aquecida com resistência elétrica.
Figura 30 – Gráficos das temperaturas dos tanques .
Fonte: do autor.
Após os 25 minutos nota-se o aumento significativo das temperaturas dos tanques e com isso utilizam-se os dados a partir daí para a realização dos cálculos e prover a avaliação dos resultados. A Figura 30 apresenta um gráfico evolutivo desses resultados. Esse gráfico mostra o tempo em horas, a temperatura do tanque de resfriamento em graus Celsius e a temperatura do tanque de aquecimento também em graus Celsius.
Entre o tempo 00:25 h e o tempo 00:45 h a variação de temperatura do tanque de resfriamento de -2,6 ºC e no tanque de aquecimento a variação de temperatura chega a +5,9 ºC. No período de tempo 00:45 h e 01:04 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento continua em -2,6 ºC e no tanque de aquecimento essa variação é de +4,2 ºC. No período que compreende os tempos
22,2 22,2 21,6 19 16,4 14,1 11,5 9,8 8,3 7 5,8 4,8 22,2 23,8 24,1 30 34,2 38,8 42,5 45,3 48 50 51,4 52,8 00:00 00:15 00:25 00:45 01:04 01:25 01:45 02:05 02:25 02:45 03:05 03:25 Te mp erat u ra (º C) Tempo (h)
01:04 h e 01:25 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento diminui para -2,5 ºC e no tanque de aquecimento a variação eleva para +4,6 ºC.
Analisando o período entre os tempos 01:25 h e 01:45 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento aumenta para -2,6 ºC e no tanque de aquecimento a variação de temperatura diminui para +3,7 ºC. Entre os tempos 00:25 h e 01:45 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento comporta-se com decrescimento praticamente de forma linear e no tanque de aquecimento as variações são ao contrário, crescimento praticamente linear. Isso ocorre porque o calor retirado do tranque de resfriamento é transferido para o tanque de aquecimento, onde é possível perceber que há um bom aproveitamento da energia nessa transferência, pois as variações dos gráficos são parecidas.
Já no período de 01:45 h e 02:05 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento diminui para -1,7 ºC e no tanque de aquecimento a variação diminui para +2,8 ºC. Entre os tempos 02:05 h e 02:25 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento é de -1,4 ºC e no tanque de aquecimento é de +2,7 ºC. Entre os tempos 02:25 h e 02:45 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento diminui para -1,3 ºC e no tanque de aquecimento diminui para +2 ºC.
Entre os pontos 02:45 h e 03:05h no tanque de resfriamento a variação de temperatura é de -1,2 ºC e no tanque de aquecimento essa variação é de +1,4 ºC. Já entre os pontos 03:05 h e 03:25 h a variação de temperatura no tanque de resfriamento e no tanque de aquecimento é respectivamente -1 ºC e +1,4 ºC. Verifica-se que entre os tempos 01:45 h e 03:25 h a variação de temperatura não se comporta de forma linear, essa variação tem um comportamento de forma exponencial em ambos os tanques.
Tabela 2 – Dados utilizados para o cálculo de aproveitamento energético. Tempo (h) Temperatura do tanque de resfriamento (°C) Temperatura do tanque de aquecimento (°C) 00:25 21,6 24,1 00:45 19 30 01:04 16,4 34,2 01:25 14,1 38,8 01:45 11,5 42,5 02:05 9,8 45,3 02:25 8,3 48 02:45 7 50 03:05 5,8 51,4 03:25 4,8 52,8 diferença 16,8 28,7 Fonte: do autor.
A cada tempo indicado na tabela foi efetuado a leitura da temperatura em cada recipiente. No tempo 00:25 h a temperatura da parte em que foi retirado o calor apresentava a temperatura de 21,6 ºC e na parte em que foi rejeitado o calor apresentava a temperatura de 24,1 ºC. Esta sistemática apresenta-se nos tempos subsequentes até que em 03:25 h a temperatura na parte no qual foi retirado calor a temperatura apresentava 4,8 ºC e na parte no qual foi rejeitado o calor a temperatura apresentava 52,8 ºC.
No final da tabela apresentam-se as diferenças de temperatura das partes. Na parte em que foi retirado o calor a diferença ficou em 16,8 ºC e na parte em que foi rejeitado o calor ficou em 28,7 ºC.
4.1 DIMENSIONAMENTO DE POTÊNCIA
Para este teste foi utilizado como fluido a água. Esta apresenta massa específica de 1 grama por centímetro cúbico e calor específico de 1 caloria por grama graus Celsius. E para converter calorias em joules tem a relação de 1 caloria para cada 4,186 joules (ÇENGEL, 2013). A equação 1 mostra o calor que um corpo recebe ou cede:
Onde:
Q = quantidade de calor transferido em calorias (cal),
m = massa específica de uma substância em gramas por centímetro cúbico (g/cm3),
c = calor específico de uma substância em caloria por grama graus Celsius (cal/gºC),
t2 = temperatura final em graus Celsius (ºC),
t1 = temperatura inicial em graus Celsius (ºC).
A equação 2 nos mostra a densidade de uma substância:
D = m/V (2)
Onde:
D = densidade de uma substância em gramas por centímetro cúbico (g/cm3),
m = massa de uma substância em gramas (g),
V = volume de uma substância em centímetros cúbicos (cm3).
Na parte no qual foi retirado o calor tem-se 176 litros de água, convertendo para quilos obtém-se 176 quilos de água. Utilizando 176 quilos sendo multiplicados por 1 quilocaloria e por uma diferença de 16,8 ºC obtém-se 2956,8 quilocalorias. Transformando calorias em joules obtém-se um total de 12377 quilojoules de calor retirado.
Na parte no qual foi rejeitado o calor tem-se 127 litros de água convertendo para quilos obtém-se 127 quilos de água. Utilizando 127 quilos sendo multiplicados por 1 quilocaloria e por uma diferença de 28,7 ºC obtém-se 3644,9 quilocalorias. Transformando calorias em joules obtém-se um total de 15257 quilojoules de calor rejeitado.
Dividindo-se o valor de 15257 quilocalorias pelo período de 3 horas, sendo o tempo em horas transformado em segundos, chega-se ao resultado de 1,41 quilojoules por segundo. Como 1 Watt é equivalente a 1 joule por segundo a potência do sistema será de 1,41 quilowatts.
Multiplicando o valor de 1,41 quilowatts pelo período de 3 horas obtém-se o valor de 4,23 quilowatts-hora de energia. Com um valor estimado da energia elétrica de 0,45 reais por quilowatt-hora resulta em um valor de 1,90 reais. Neste período se estaria economizando 1,90 reais em aquecimento de água.
5 ANÁLISE E DISCUSSÕES
Conforme dados apresentados nos capítulos anteriores, faz-se a análise dos mesmos.
5.1 ECONOMIA DE ENERGIA
Para aquecer a água de 24 ºC para 70 ºC com um volume de 85 litros, utilizando um resistor de potência de 3000 W demora-se em torno de 1,51 horas consumindo 4,54 kWh no sistema convencional. Quando comparado com o volume do tanque de aquecimento de água utilizado pelo protótipo, que é de 127 litros, o sistema convencional levaria em torno de 2,26 horas e consumiria 6,79 kWh.
Com o protótipo conseguiu-se alcançar a temperatura de 52,8 ºC no tanque de aquecimento de água. Necessita-se de algum sistema que possa elevar a temperatura de 52,8 ºC para 70ºC. Para concretizar essa elevação de temperatura, neste caso, mantém-se o sistema convencional.
Com isso o sistema convencional passa a aquecer a água de 52,8 ºC para 70 ºC com o volume de 127 litros, com o mesmo resistor de potência de 3000 W, demora em torno de 51 minutos consumindo 2,54 kWh.
Verificando que aquecendo a água com o sistema convencional consumiria 6,79 kWh e com o sistema proposto se consumiria apenas 2,54 kWh, economizando 4,25 kWh. Se analisar a economia por litro de água aquecida pelo sistema proposto economizaria 0,03346 kWh por litro.
Em média, uma propriedade utiliza 200 litros de água por dia para efetuar a limpeza de seus equipamentos; a economia de energia elétrica chegaria a 6,69 kWh. Em 30 dias a economia de energia chegaria a 200 kWh.
Com o preço do kWh em torno de R$ 0,385 reais, praticado pela concessionária de energia Cermissões, anexo A, com os impostos PIS e COFINS, o valor apurado da economia é de 77,34 reais ao mês nestas condições. No ano essa economia chegaria a um valor de 941 reais. Todos os valores estão descritos na tabela 3.
Tabela 3 – Economia de energia elétrica em valores para Cermissões.
Item Valores (un) litro/dia 200 kWh/litro 0,03346 valor kWh 0,38525 R$/dia 2,578093 R$/mês 77,34 R$/ano 941 Fonte: do autor.
5.2 CUSTO ESTIMADO PARA O PROTÓTIPO
Para verificar a viabilidade financeira deste protótipo, foram levantados os custos para implantação de uma unidade do mesmo.
O protótipo consta com um segundo recipiente para estoque de água, tendo este recipiente um isolamento térmico estimando um preço em torno de 2500 reais, e uma serpentina inserida neste recipiente com valor estimado de 350 reais.
Para a conexão do resfriador com o protótipo necessita-se utilização de tubos estimando um valor de 150 reais. Será necessário também carregar o resfriador e o protótipo com refrigerante, estimando–se para um resfriador de capacidade de 1000 litros com 3000 gramas um valor de 300 reais.
Necessita-se também mão-de-obra para a implantação do protótipo. Estima-se que utilize dois dias de Estima-serviço, com 7 horas de Estima-serviço por dia, com uma equipe de duas pessoas, mais o deslocamento até onde estará o protótipo, tendo um valor de 700 reais. Esses valores constam na tabela 4.
Tabela 4 – Custo aproximado do protótipo.
Materiais Valor (R$)
recipiente 2500
serpentina 350
tubos para conexão 150
refrigerante 300
serviço 700
total 4000
Fonte: do autor.
Somando-se todos os valores estima-se um valor total de 4000 reais para toda adaptação e funcionamento conforme normas do setor para os equipamentos atualmente em uso.
Tendo em vista uma análise econômica do investimento com o retorno financeiro do mesmo, tem-se um investimento de 4000 reais como saída de caixa e após cada ano até o sexto ano o valor de 941 reais da economia por ano é considerado como entrada de caixa. Esses valores são referenciados por uma tarifa de energia elétrica de cerca de R$ 0,385, praticada pela Cermissões.
Para o cálculo do valor presente líquido (VPL) o valor de 941 reais é corrigido a cada período por uma taxa mínima de atratividade (TMA) de 8% ao ano. Com isso o valor presente líquido do período de seis anos é de 350,13 reais. A taxa interna de retorno (TIR) neste mesmo período é de 3% ao ano. O retorno do investimento ocorre no sexto ano. Esses valores são apresentados na tabela 5.
Tabela 5 – Valores de VPL e TIR no período de 6 anos.
n (anos) fluxo de caixa fluxo descontado (TMA=8%) saldo do projeto TIR
0 -4000,00 -4000,00 -4000,00 3% 1 941,00 871,30 -3128,70 2 941,00 806,76 -2321,95 3 941,00 747,00 -1574,95 4 941,00 691,66 -883,29 5 941,00 640,43 -242,86 6 941,00 592,99 350,13 VPL 350,13 Fonte: do autor.
No gráfico da figura 31 é demonstrado o fluxo de caixa para consumidores da Cermissões. Nele no período 0 o valor é de R$ -4000,00 representando a saída de capital. No período 1 o valor é de R$ 941,00 representando a entrada de capital. Nos períodos 2, 3, 4, 5 e 6 o valor também é de R$ 941,00.
Figura 31 – Gráfico do fluxo de caixa no período de 6 anos.
Fonte: do autor.
Na figura 32 é apresentado o fluxo de caixa descontado. Neste fluxo existe uma TMA de 8% ao ano que é adicionada a cada período. No período 0 o fluxo de caixa é de R$ -4000,00 representando a saída de capital. No período 1 o fluxo de caixa é de R$ 871,30 representando a entrada de capital. Nos períodos 2, 3, 4, 5 e 6 também é representado a entrada de capital, sendo que no período 2 esse valor é de R$ 806,76, no período 3 é de R$ 747,00, no período 4 é de R$ 691,66, no período 5 é de R$ 640,43 e no período 6 é de R$ 592,99. -4500,00 -4000,00 -3500,00 -3000,00 -2500,00 -2000,00 -1500,00 -1000,00 -500,00 0,00 500,00 1000,00 0 1 2 3 4 5 6 valo re s (R$ ) n (anos)
fluxo de caixa
Figura 32 – Gráfico do fluxo de caixa descontado no período de 6 anos.
Fonte: do autor.
Na figura 33 é apresentado o saldo do projeto. No período 0 o saldo é de R$ -4000,00. No período 1 o saldo é de R$ -3128,70, no período 2 o saldo é de R$ -2321,95, no período 3 o saldo é de R$ -1574,95, no período 4 o saldo é de R$ -883,29, no período 5 o saldo é de R$ -2242,86 e no período 6 o saldo é de R$ 350,13. Neste caso o VPL apurado é de R$ 350,13.
Figura 33 – Gráfico do saldo do projeto no período de 6 anos.
Fonte: do autor. -4500,00 -4000,00 -3500,00 -3000,00 -2500,00 -2000,00 -1500,00 -1000,00 -500,00 0,00 500,00 1000,00 0 1 2 3 4 5 6 valo re s (R$ ) n (anos)
fluxo descontado (TMA=8%)
-4500,00 -4000,00 -3500,00 -3000,00 -2500,00 -2000,00 -1500,00 -1000,00 -500,00 0,00 500,00 1000,00 0 1 2 3 4 5 6 valo re s (R$ ) n (anos)
saldo do projeto
Num cenário com 15 protótipos instalados a economia de energia chegaria a um valor de R$ 14115,00(reais) num ano, por exemplo.
5.3 ECONOMIA DE ENERGIA 2
Os valores apurados anteriormente foram com valor do quilowatt-hora da companhia Cermissões, mas também tem-se, na região, a companhia de distribuição de energia Rio Grande Energia (RGE), anexo B, tendo essa companhia um valor em torno de R$ 0,311 por kWh. O valor de economia de energia mensal é de 62,55 reais e no ano esse valor chega em 761,06 reais. Os valores apresentam-se na tabela 6.
Tabela 6 – Economia de energia elétrica em valores para a RGE.
Item Valores (un) litro/dia 200 kWh/litro 0,03346 valor kWh 0,31158 R$/dia 2,08509336 R$/mês 62,55 R$/ano 761,06 Fonte: do autor.
Com o mesmo valor estimado do protótipo no caso anterior, a entrada de caixa nesse caso é de 761,06 reais corrigidos pelo período de 8 anos, com a taxa mínima de atratividade de 8 % ao ano, o valor presente líquido é de 373,54 reais, tendo a taxa interna de retorno de 2 % ao ano. Nesse caso, o retorno do investimento ocorreria apenas no oitavo ano. Estes valores apresentam-se na tabela 7.
Tabela 7 – Valores de VPL e TIR no período de 8 anos.
n (anos) fluxo de caixa fluxo descontado (TMA=8%) saldo do projeto TIR
0 -4000,00 -4000,00 -4000,00 2% 1 761,06 704,69 -3295,31 2 761,06 652,49 -2642,83 3 761,06 604,15 -2038,67 4 761,06 559,40 -1479,27 5 761,06 517,96 -961,31 6 761,06 479,60 -481,71 7 761,06 444,07 -37,64 8 761,06 411,18 373,54 VPL 373,54 Fonte: do autor.
No gráfico da figura 34 é demonstrado o fluxo de caixa para consumidores da RGE. Nele no período 0 o valor é de R$ -4000,00 representando a saída de capital. No período 1 o valor é de R$ 761,06 representando a entrada de capital. Nos períodos 2, 3, 4, 5 e 6 o valor também é de R$ 761,06.
Figura 34 – Gráfico do fluxo de caixa no período de 8 anos.
Fonte: do autor.
Na figura 35 é apresentado o fluxo de caixa descontado. Neste fluxo existe uma TMA de 8% ao ano que é adicionada a cada período. No período 0 o fluxo de
-4500,00 -4000,00 -3500,00 -3000,00 -2500,00 -2000,00 -1500,00 -1000,00 -500,00 0,00 500,00 1000,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Valo re s (R$ ) n (anos)
fluxo de caixa
caixa é de R$ -4000,00 representando a saída de capital. No período 1 o fluxo de caixa é de R$ 704,69 representando a entrada de capital. Nos períodos 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 também é representado a entrada de capital, sendo que no período 2 esse valor é de R$ 652,49, no período 3 é de R$ 604,15, no período 4 é de R$ 559,40, no período 5 é de R$ 517,96, no período 6 é de R$ 592,99, no período 7 é de R$ 444,07 e no período 8 é de R$ 411,18.
Figura 35 – Gráfico do fluxo de caixa no período de 8 anos.
Fonte: do autor.
Na figura 36 é apresentado o saldo do projeto. No período 0 o saldo é de R$ -4000,00. No período 1 o saldo é de R$ -3295,31, no período 2 o saldo é de R$ -2642,83, no período 3 o saldo é de R$ -2038,67, no período 4 o saldo é de R$ -1479,27, no período 5 o saldo é de R$ -961,31, no período 6 o saldo é de R$ -481,71, no período 7 o saldo é de R$ -37,64 e no período 8 o saldo é de R$ 373,54. Neste caso o VPL apurado é de R$ 373,54.
-4500,00 -4000,00 -3500,00 -3000,00 -2500,00 -2000,00 -1500,00 -1000,00 -500,00 0,00 500,00 1000,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 valo re s (R$ ) n (anos)
Figura 36 – Gráfico do fluxo de caixa no período de 8 anos.
Fonte: do autor.
Com o mesmo número de protótipos do caso anterior, a economia de energia chegaria a um valor de R$ 11415,90 (reais) num ano. Com relação aos valores de tarifa com o caso anterior, para os protótipos instalados onde se tem a concessionária RGE, demora-se mais tempo para o retorno do investimento, e consequentemente a economia é menor.
-4500,00 -4000,00 -3500,00 -3000,00 -2500,00 -2000,00 -1500,00 -1000,00 -500,00 0,00 500,00 1000,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 valo re s (R$ ) n(anos)
saldo do projeto
6 CONCLUSÃO
O objetivo do trabalho foi de verificar se o calor irradiado de tanques refrigeradores de leite a granel poderia proporcionar aquecimento de água, com redução de uso de um resistor de potência de 3000 W com o propósito de diminuir o consumo de energia elétrica.
A motivação para realização desse trabalho foi de verificar a possibilidade de se usar o calor que é irradiado pelos tanques resfriadores a granel para o aquecimento de água. Ressaltando que a economia gerada possa impactar nos custos de produção do rebanho leiteiro. Além disso, evidenciar uma inovação tecnológica capaz de ser colocada nos resfriadores de leite atualmente utilizados pelos produtores.
Conseguindo-se obter uma economia de energia elétrica em torno de 200 kWh ao mês, levou-se em conta valores de tarifas de energia elétrica de duas companhias de distribuição de energia elétrica, para a área rural. Pela tarifa de energia praticada pela Cermissões tem-se uma economia de R$ 941,00 ao mês enquanto que a tarifa de energia praticada pela companhia RGE esse valor fica em torno de R$ 761,00, por protótipo.
Com os dados apresentados, foi possível concluir que o protótipo mostrou um funcionamento satisfatório, pois, além de se economizar energia elétrica, que é um custo na produção de leite, ainda tem influência direta na economia de toda uma região. Também se ressalta, a partir daí, a necessidade de profissionais para a prestação de serviços nesta área, criando uma nova cadeia produtiva na área leiteira e introduzindo mais uma tecnologia que beneficia diretamente o produtor.
Para o futuro, espera-se ter a possibilidade de melhorar a eficiência do protótipo, como uma proposta para um novo estudo, implantando o mesmo em uma propriedade, como um estudo de campo, verificando com que temperatura e quantia de água consegue-se chegar ao melhor rendimento do sistema, otimizando seu funcionamento.
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