UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS
PEDRO YURI LOPES FERRO PACHECO RIOS
CONSTRUÇÃO DE UM AQUECEDOR SOLAR UTILIZANDO MATERIAL RECICLADO PARA AQUECIMENTO DE ÁGUA DE USO DOMÉSTICO NO
ESTADO DO CEARÁ
PEDRO YURI LOPES FERRO PACHECO RIOS
CONSTRUÇÃO DE UM AQUECEDOR SOLAR UTILIZANDO MATERIAL RECICLADO PARA AQUECIMENTO DE ÁGUA NO ESTADO DO CEARÁ
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Programa de Graduação em Engenharia de Energias Renováveis da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Energias Renováveis. Orientador: Prof. Dr. Francisco Nivaldo Aguiar Freire.
À Deus.
AGRADECIMENTOS
À Deus, que torna realidade os nossos sonhos.
À minha mãe, Marlúcia Lopes Ferro, meu bem mais precioso.
À minha irmã, Shayanne Lopes Ferro Pontes, por todo o amor e compreensão.
Aos meus tios Francisco Benício de Araújo e Lúcia Lopes Ferro de Araújo, por me acompanharem desde pequeno nesta caminhada.
À minha tia Cícera Lopes, que agora tem um sobrinho engenheiro.
Ao meu padrinho, Marcelo Lopes Soares, e madrinhas, Samara Machado Bezerra Soares e Paula Rutemara, por estarem sempre presentes em minha vida.
Ao amigo Marco Antônio, por todo o apoio e conselhos.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Francisco Nivaldo de Aguiar Freire, pela confiança, dedicação e paciência. Sempre prestativo e disposto a ajudar. É uma honra tê-lo como professor, orientador e amigo.
Aos membros da banca examinadora, pela disponibilidade de participar e pelas contribuições pessoais acerca da monografia.
A todos os professores do Programa de Graduação em Engenharia de Energias Renováveis da Universidade Federal do Ceará e membros da coordenação.
A todos os colegas de turma e laboratório pelas reflexões, críticas e sugestões recebidas.
A todos os membros do Thundercats da UFC.
“Alguém que nunca cometeu erros nunca tratou de fazer algo novo.”
RESUMO
O aquecimento de água é um processo que necessita de energia térmica considerável, no entanto, o uso de energia solar, que é abundante na região, associado a materiais alternativos para construção de um coletor solar plano com uso de termossifão, é um caminho promissor no uso deste tipo de energia. O protótipo foi fabricado e testado no Laboratório de Energia Solar e Gás Natural (LESGN) e no Laboratório de Filmes Finos e Energias Renováveis (LAFFER) da Universidade Federal do Ceará. Sua superfície absorvedora de calor foi feita com dois forros alveolar de PVC pintados com esmalte preto fosco, obtendo-se uma área útil de troca de calor de 1,4m². Seus tubos e conexões foram feitos de PVC marrom. O reservatório térmico com capacidade de 230 L foi feito de plástico. O objetivo do trabalho é a montagem um aquecedor solar utilizando materiais alternativos reciclados. Os experimentos foram realizados entre 8h e 18h dos dias 11/07/2016, 12/07/2016, 13/07/2016, 14/07/2016 e 15/07/2016. O coletor solar plano alternativo apresentou resultados satisfatórios, atingindo seu objetivo de aquecimento de água para banho. Os resultados experimentais, baseados na temperatura ambiente, radiação global diária, temperatura de saída e entrada no coletor, mostram uma eficiência térmica média de 22%, sendo capaz de elevar a temperatura da água do reservatório em aproximadamente 20 °C.
ABSTRACT
Water heating is a process that requires considerable thermal energy, however, the use of solar energy, which is abundant in the region, associated with alternative materials for construction of a passive flat solar heater, is a promising way in using this type of energy. The prototype was built and tested at Solar Energy and Natural Gas Laboratory (LESGN) and Thin-film and Renewable Energy Laboratory (LAFFER) of the Federal University of Ceará. The absorbing surface of the heater was made with two PVC plates painted with matte black enamel, having an area of 1.4m².Its pipes and fittings were made of brown PVC. The thermal reservoir with 230L capacity was made of plastic. The experiments were conducted between 8 am and 6pm for five days. The alternative flat solar heater showed satisfactory results, reaching its purpose of water heating for bathing. The experimental results based on the room temperature, daily global radiation, outlet and the inlet temperatures of the heater, show an average thermal efficiency of 22%, being able to increase the temperature of the water by 20°C, approximately.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Diagrama dos processos de interação da radiação solar com a atmosfera
terrestre ... 16
Figura 2- Radiação solar global e suas componentes ... 17
Figura 3-Radiação solar global diária - média anual típica (MJ/m² .dia) ... 18
Figura 4- Média mensal da radiação solar (W/m²) para o ano de 2008. ... 20
Figura 5- Coletor solar plano aberto ... 21
Figura 6- Coletor solar plano fechado ... 22
Figura 7- Coletor solar tubos a vácuo ... 23
Figura 8- Concentrado cilíndrico ... 24
Figura 9- Concentrado parabólico ... 24
Figura 10- Principio de funcionamento de circulação natural ... 25
Figura 11- Coletor solar de material reciclado ... 30
Figura 12- Variação da temperatura do tanque ao longo do dia 11/07/2016 ... 31
Figura 13-A variação da radiação global do dia 11/07/2016 ... 32
Figura 14-Variação da temperatura do tanque ao longo do dia 12/07/2016 ... 32
Figura 15-A variação da radiação global do dia 12/07/2016 ... 33
Figura 16-Variação da temperatura ambiente e da radiação global 13/07/2016... 33
Figura 17- Temperatura da água na entrada e saída do coletor13/072016 ... 34
Figura 18-Variação da temperatura ambiente e da radiação global 14/07/2016... 35
Figura 19-Temperatura da água na entrada e saída do coletor14/072016 ... 35
Figura 20-Variação da temperatura ambiente e da radiação global 15/07/2016... 36
Figura 21- Temperatura da água na entrada e saída do coletor15/072016 ... 36
Figura 22- Eficiência de coletores solares comerciais PRO-SOL ... 42
Figura 23-Eficiência de coletores solares comerciais SOLARUM ... 43
Figura 24- Linha de tendência para densidade da água ... 44
Figura 25- Linha de tendência para viscosidade dinâmica da água ... 45
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABRAVA Associação Brasileira de Refrigeração, Ar-condicionado, Ventilação e Aquecimento
ASBC Aquecedor Solar de Baixo Custo ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
DASOL Departamento Nacional de Energia Solar Térmica FUNCEME Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos LAFFER Laboratório de Filmes Finos em Energias Renováveis LESGN Laboratório de Energia Solar e Gás Natural
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PVC Policloreto de vinila
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 13
2 OBJETIVOS ... 14
2.1 Objetivos Gerais ... 14
2.2 Objetivos Específicos ... 14
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 15
3.1 Radiação Solar ... 15
3.1.1 Radiação Solar no Brasil ... 17
3.1.2 Radiação Solar no Ceará ... 19
3.2 Tipos de Coletores... 21
3.2.1 Coletores sem concentração ... 21
3.2.2 Coletores com concentração ... 23
3.3 Princípio de funcionamento ... 25
3.3.1 Orientação do coletor ... 26
3.4 Eficiência Térmica do Coletor ... 27
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 29
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 31
6 CONCLUSÃO ... 37
REFERÊNCIAS ... 38
APÊNDICE A – MATERIAIS E CUSTO ... 39
APÊNDICE B – COMPARATIVO DE PREÇOS DE AQUECEDORES SIMILARES DISPONÍVEIS NO MERCADO ... 40
ANEXO A – FLUXO MÁSSICO DE CIRCULAÇÃO NATURAL ... 41
ANEXO B – COLETORES SOLARES COMERCIAIS ... 42
13
1 INTRODUÇÃO
Devido seu funcionamento a partir de uma fonte natural, gratuita e inesgotável: o Sol - o uso de aquecedores solares não agride o meio ambiente. O uso de aquecedores solares apresenta vantagens ambientais e econômicas, podendo reduzir o consumo de energia elétrica. Apesar de oferecer claras vantagens, tanto ambientais como sociais, e do recente aumento na área instalada de aquecedores solares, a energia solar térmica tem sido pouco aproveitada.
O Departamento Nacional de Energia Solar Térmica da Associação Brasileira de Refrigeração, Ar-condicionado, Ventilação e Aquecimento (DASOL/ABRAVA), cita as principais aplicações dos coletores solares no Brasil: Sistema de aquecimento de água para banho (coletores planos fechados com vidro e reservatório térmico) e sistemas de aquecimento de piscinas (coletores planos de termoplástico aberto).
No Ceará, apesar do clima tropical, há uma potencial demanda para aquecimento de água, principalmente para banho, devido ao seu setor hoteleiro. O aquecimento solar da água não se restringe apenas para o banho, há também serviços que utilizam aquecimento de água, tais como: lavanderias, pet-shops, restaurantes e hospitais.
Devido ao seu baixo custo de aquisição, fácil instalação, baixa complexidade para utilização e manutenção, o chuveiro elétrico é a forma mais utilizada no Brasil para aquecimento de água. Apesar das vantagens citadas, o aquecimento elétrico de água representa um aumento considerável na fatura de energia elétrica, em média, representando 20% do consumo residencial de eletricidade no país (ELETROBRÁS/PROCEL, 2007)
Um dos principais motivos para não utilização de aquecedores solares, e, consequentemente, a não difusão da tecnologia, principalmente pelas residências de baixa renda, é o custo de aquisição dos equipamentos (ANEEL,2010).
14
2 OBJETIVOS 2.1 Objetivos Gerais
Montagem de um aquecedor solar utilizando materiais alternativos reciclados verificando sua capacidade de elevar a temperatura do fluido (água) do reservatório com finalidade de uso para banho
2.2 Objetivos Específicos
Medição da temperatura máxima alcançada pelo coletor. Medição da temperatura média do reservatório ao final do dia.
Medição da temperatura de entrada e saída do fluido no coletor, assim como a radiação global incidente.
15
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Coletores solares são trocadores de calor que transformam radiação solar em calor. O coletor capta a radiação solar, a converte em calor, e transfere esse calor para um fluido (ar, água ou óleo em geral) (KALOGIROU, 2009).
De acordo com BIANCHINI (2013, P. 6)
A maioria das fontes de energia (biomassa, eólica, hidráulica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos) são provindas indiretamente da energia solar. O Sol é a maior fonte de energia disponível na Terra, fornecendo anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5x1018 kWh de energia. Esse valor corresponde a 104 vezes o consumo mundial de energia neste período.
3.1 Radiação Solar
A energia irradiada pelo Sol que atinge a atmosfera terrestre, é praticamente constante. Esta energia irradiada é descrita como a constante solar relativa a uma área de 1m². Esta constante está sujeita a pequenas alterações, provocadas pela variação da atividade solar e com a excentricidade da órbita da Terra. O valor médio da constante solar é G = 1.367 W/m². (IQBAL; Muhammad, 1983)
Segundo Pereira et al. (2006, p.14), “ao atravessar a atmosfera, a radiação solar é
atenuada por processos físicos de espalhamento e absorção com os constituintes atmosféricos e a superfície do planeta”.
A radiação do Sol atinge a atmosfera da Terra e aproximadamente 30% é refletida por fatores físicos como gases, nuvens e partículas. Os 70% (6% é proveniente da superfície e 64% tem origem em nuvens e constituintes atmosféricos) restantes são absorvidos produzindo aquecimento do sistema e causando evaporação de água (calor latente) ou convecção (calor sensível) (PEREIRA et al, 2006).
16
Figura 1- Diagrama dos processos de interação da radiação solar com a atmosfera terrestre
Fonte: (PEREIRA et al, 2006).
De acordo com Beckman e Duffie (2013, P. 10)
Radiação direta: É a radiação solar recebida do Sol sem haver desvios pela atmosfera.
Radiação difusa: É a radiação solar recebida do Sol após sua direção ter sido mudava por particular na atmosfera.
Radiação solar total: É a soma da radiação direta e difusa em uma superfície (A medição mais comum da radiação total em uma superfície horizontal, muitas vezes sendo chamada de radiação global em uma superfície).
Irradiância: A taxa a qual a energia radiante incide em uma superfície por unidade de área (W/m²).
Caso o coletor esteja inclinado, haverá uma terceira componente refletida pelo próprio solo e outros objetos. Essa componente é chamada de radiação refletida e pode ser incluída na radiação difusa. Essa radiação é conhecida também como Albedo.
17
Figura 2- Radiação solar global e suas componentes
Fonte:ALTENER,2004
3.1.1 Radiação Solar no Brasil
A maior parte do território brasileiro está localizada na zona intertropical, tendo assim um grande potencial para o aproveitamento da energia solar.
O Atlas Solarimétrico do Brasil (2000) apresenta uma estimativa da radiação solar incidente no país, resultante da interpolação e extrapolação de dados obtidos em estações solarimétricas distribuídas em vários pontos do território nacional. As estimativas de irradiação solar fornecidas foram validadas por meio de comparação com valores medidos em superfície em estações distribuídas pelo território brasileiro. Os maiores índices de radiação são observados na região Nordeste. (PEREIRA et al,2006)
18
Figura 3-Radiação solar global diária - média anual típica (MJ/m² .dia)
19
3.1.2 Radiação Solar no Ceará
A região Nordeste do Brasil tem bons índices de radiação solar, sendo possível fazer um excelente aproveitamento dessa fonte de energia renovável. O Estado do Ceará vive um processo de fortalecimento e diversificação da sua matriz energética. Inicialmente, através da energia eólica, mas já caminhando para aplicações no campo de solar fotovoltaica e solar térmica.
A radiação solar incidente não é constante ao longo do ano no Ceará. Valores menores são observados durante os períodos de maior nebulosidade, desde a pré-estação (dezembro e janeiro) até o final da quadra chuvosa, que engloba os meses de fevereiro a maio. Durante estes seis meses, o setor norte do estado é a região que apresenta os menores valores de radiação solar. A presença de nuvens, principalmente durante o período chuvoso, afeta a radiação solar. Logo, durante a quadra chuvosa do Ceará, a radiação solar tende a ter os menores valores, comparado ao restante do ano (SAKAMOTO et al,2010).
Ao fim da quadra chuvosa, a radiação incidente nos meses de junho e julho é relativamente baixa, mas, ao contrário do que ocorre durante a quadra chuvosa, os mínimos se deslocam para o setor sul e leste do estado (SAKAMOTO et al,2010).
De agosto a novembro, prevalece o período mais seco do ano no Ceará, o que reflete os valores de radiação solar incidente que mostram um pico no mês de outubro.
20
Figura 4- Média mensal da radiação solar (W/m²) para o ano de 2008.
21
3.2 Tipos de Coletores
Os coletores solares podem ser classificados em dois principais grupos: coletores solares com concentração e coletores solares sem concentração.
Os coletores solares sem concentração são usados nas aplicações da energia solar térmica de baixa temperatura, geralmente para produção de água quente sanitária. Já os coletores solares com concentração são capazes de alcançar temperatura elevadas, devido ao uso dos métodos de concentração óptica (PEREIRA et al. 2006)
3.2.1 Coletores sem concentração
Coletores onde a área de absorção e superfície do coletor é praticamente a mesma. Os principais modelos são Coletor solar plano aberto, Coletor solar plano fechado e Coletor solar de tubos à vácuo.
Coletor solar plano aberto: modelos mais simples com baixo custo de instalação, não possuem caixa, isolamento e cobertura. Usados para aquecimento de piscinas ou aplicações onde não se deseja atingir temperaturas muito acima dos 30 ºC. Um modelo de coletor solar plano pode ser visto na Figura 5.
Figura 5- Coletor solar plano aberto
22
Coletor solar plano fechado: é formado basicamente por uma caixa retangular, isolada termicamente. Os raios solares atravessam a tampa de vidro e aquecem aletas e tubos de cobre ou alumínio, que são pintados com uma tinta especial para máxima absorção da radiação do sol e transferência do calor para o fluído a ser aquecido. É o mais utilizado no Brasil, podendo ser utilizado para todos os tipos de aquecimento de água (PEREIRA et al. 2006).
As camadas de um coletor solar plano fechado podem ser vista na Figura 6. Figura 6- Coletor solar plano fechado
Fonte: DASOL/ABRAVA disponível em: http://www.dasolabrava.org.br/informacoes/principio-de-funcionamento/
23
Figura 7- Coletor solar tubos a vácuo
Fonte: MESQUITA,2013
3.2.2 Coletores com concentração
A finalidade é fazer o fluido atingir altas temperaturas, para isso usam sistemas especiais a fim de aumentar a intensidade da radiação sobre a superfície absorvente. Apresentam a necessidade de um sistema de acompanhamento para conseguir que o coletor esteja permanentemente apontado em direção ao Sol.
Concentradores cilíndricos: sua superfície refletora é a metade de um cilindro, concentrando os raios solares em um tubo receptor contendo um fluido de trabalho.
Concentradores parabólicos: sua superfície refletora tem geometria paraboloide, tendo funcionamento similar aos concentradores cilíndricos.
24
Figura 8- Concentrado cilíndrico
Fonte:ENERGIATECSOLAR, disponível em: http://energiatecsolar.com.br/
Figura 9- Concentrado parabólico
25
3.3 Princípio de funcionamento
Um sistema básico de aquecimento de água por energia solar é composto por placas coletoras solares e um reservatório de água. As placas coletoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. A energia térmica absorvida pelas placas é transmitida para a água que circula no interior de suas tubulações. O reservatório térmico é um recipiente para armazenamento de água aquecida.
A água circula entre os coletores e o reservatório graças a um processo chamado de termossifão. Nesse processo, a água dos coletores aquece, mudando assim sua densidade,
ficando menos densa (mais “leve”) que a água do reservatório, portanto, a água fria mais
densa empurra a água quente para o reservatório, gerando a circulação. Para que ocorra a circulação através do termossifão é necessário que o reservatório esteja em um nível acima do coletor (TWIDELL,WEIR.2006).
Figura 10- Principio de funcionamento de circulação natural
Fonte: Próprio autor
De acordo com a Figura 10, temos: 1. Reservatório
26
3. Desnível entre o coletor e o reservatório 4. Água fria entrando no coletor por gravidade 5. Coletor Solar
6. Radiação Solar
7. Água aquecida entrando no reservatório 8. Consumo
3.3.1 Orientação do coletor
Para aproveitamento da energia solar, não basta colocar o coletor ao sol. Alguns princípios básicos, mas muito importantes devem ser respeitados, se queremos maximizar o aproveitamento de energia: inclinação e orientação do coletor.
Para um melhor aproveitamento da energia irradiada pelo Sol, o coletor deve sempre receber a radiação direta, ou seja, deve sempre ser apontado paralelamente aos raios solares. A radiação direta é a parte mais importante para a geração solar térmica.
Entretanto, para coletores planos fixos, a direção ótima nem sempre é obvia, pois a radiação recebida pelo coletor é composta pela radiação direta e difusa. Nestes casos, a orientação dos coletores devem sempre ser em direção ao equador, ou seja, coletores planos fixos no hemisfério Norte devem apontar para o Sul geográfico e coletores planos fixos no hemisfério Sul devem apontar para o Norte geográfico. A inclinação dos coletores deve ser igual à latitude do local (TWIDELL; WEIR,2006).
27
3.4 Eficiência Térmica do Coletor
Eficiência é um termo usado em engenharia para medir o rendimento de um equipamento quando comparado a uma referência, ou o máximo teórico de rendimento possível.
No caso de coletores, um coletor solar com 100% de eficiência seria aquele que convertesse toda a irradiação solar em aquecimento do fluido, sem nenhuma perda. Isso não é possível devido as perdas que os coletores possuem (MESQUITA,2013).Apenas uma parcela da irradiação que incide no coletor é de fato utilizável para o aquecimento da água.
Pode-se dividir em quatro partes um sistema de aquecimento que usa a energia solar como fonte primária: a captação da energia irradiante, o aquecimento da água pelo coletor, o transporte da água entre o coletor e o reservatório e o armazenamento desta.
A eficiência térmica (Ƞ) do coletor solar de área útil (A) exposta à radiação solar (I) é definida como a razão entre o ganho útil de energia durante um período de tempo e a energia solar incidente neste mesmo período (DUFFIE; BECKMAN, 1991).
De acordo com Mesquista,2013 p.5, a equação da eficiência térmica de um coletor plano pode ser definida como:
Ƞ = ∫ 𝑄.𝑑𝑡0𝑇
𝐴 ∫ 𝐼.𝑑𝑡0𝑇 (1)
Onde
η é a eficiência (de 0 a 1);
Q é a potência útil coletada, em W;
I é a irradiação solar incidente sobre o coletor, em W/m² A é a área do coletor, em m².
28
As principais perdas são: perdas óticas, perdas térmicas. As perdas óticas ocorrem, pois parte da irradiação é refletida pelo vidro dos coletores ou pelo próprio absorvedor. As perdas térmicas ocorrem por convecção e radiação. O fator geométrico também é importante, pois a eficiência também depende de como o espaço ocupado pelo o coletor é aproveitado (TWIDELL; WEIR,2006). O tipo de superfície absorvedora, o número de coberturas transparentes, a intensidade da irradiação solar, o isolamento térmico empregado no coletor, as velocidades de ventos, dentre outros, exercem influências na determinação da eficiência do aquecedor solar.
A potência útil é avaliada pelo ganho de calor que a água tem devido sua circulação pelo coletor solar. Ela pode ser determinada por meio da relação:
𝑄 = ṁ ∗ 𝑐 ∗ (𝑇2 − 𝑇1) (2)
Onde
Q representa o fluxo de energia que chega ao reservatório (W);
ṁ é o fluxo de massa de água (kg/s);
c é o calor específico da água (kJ/kg°C);
T1 e T2 são as temperaturas da água fria e quente, respectivamente, antes e após ter passado pelo coletor (°C).
29
4. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a confecção do coletor solar utilizou-se dois forros alveolar de PVC branco. Como reservatório, utilizou-se um tambor cilíndrico de água. O reservatório possui 88 cm de altura e 58 cm de diâmetro, com capacidade de 230 L. Cada forro possui 125 cm de comprimento 61 cm de largura e 1 cm de espessura. O coletor solar de material reciclado possui 1,4 m² de área útil.
Foram utilizados 8 metros de tubo de PVC marrom de 32 mm de diâmetro para fazer a ligação entre os forros de PVC e o reservatório. Para a vedação dos tubos de PVC e o forro, utilizou-se adesivo epóxi bicomponente. Para fazer a união em série entre os dois forros, utilizaram-se duas luvas soldáveis de PVC marrom de 32 mm de diâmetro. Para se vedar a ponta superior esquerda e a ponta inferior direta do coletor, usaram-se dois caps de PVC marrom de 32 mm de diâmetro. Para se fazer as junções entre os tubos de PVC marrom do reservatório e do coletor, foram-se usados 4 joelhos 90° de PVC marrom soldável de 32 mm. Utilizou-se esmalte preto fosco para pintar o forro alveolar de PVC.
Com o reservatório vazio e seco foram feitos dois furos de diâmetro de 32 mm em duas paredes opostas, seguindo os seguintes padrões: o furo do lado esquerdo é a saída de água fria para os coletores e o furo da direita é o retorno da água aquecida. Instalou-se nesses furos adaptadores soldáveis com flanges e anel de vedação de 32 mm. O furo de retorno da água quente foi feito há metade da altura máxima do tambor (44 cm).
Montou-se o coletor sob a modalidade de circulação natural (termossifão) no Laboratório de Energia Solar e Gás Natural da Universidade Federal do Ceará (LESGN/UFC). O coletor foi montado numa inclinação de 18º com relação à horizontal. Visando a maior absorção da radiação solar, as placas coletoras foram direcionadas para o norte geográfico.
30
Figura 11- Coletor Solar de Material Reciclado
Fonte: Próprio autor
Foi instalado, junto aos aquecedores solares, um sistema de monitoramento e aquisição de dados, para se obter as temperaturas atingidas na entrada e saída das placas absorvedoras. A temperatura ambiente também foi monitorada. Utilizaram-se 3 termopares tipo-k para a realização da aquisição de dados. O modelo do data-logger utilizado foi o modelo RDXL12SD da OMEGA.
Para obtenção do fluxo de radiação solar incidente na superfície utilizou-se como instrumento de medição o piranômetro. Este equipamento permite a leitura de dados de radiação solar total numa superfície horizontal. Ele estava localizado no LESGN.
Ter acesso a estas informações é importante para efetuar o cálculo da eficiência térmica dos coletores. Os dados foram coletados com a frequência de 2 minutos.
31
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Testes foram realizados por 5 dias seguidos, iniciando-se o primeiro teste no dia 11/07/2016 e o último dia 15/07/2016. Todos os testes foram feitos entre 8h da manhã e 05h30min da tarde.
Nos dois primeiros dias (11 e 12 de julho de 2016), foi monitorado a variação da temperatura da água no tanque ao longo do dia e a radiação solar global. Às 08h20min do dia 11/07/2016 a água no reservatório encontrava-se a 34,2 °C, atingindo uma temperatura máxima de 48,4 °C às 13h40min. Ao final do primeiro dia, às 17h20min, a água estava a uma temperatura média de 43,5 °C.
A variação da temperatura ao longo do dia pode ser verificada na Figura 12.
Figura 12- Variação da temperatura do tanque ao longo do dia 11/07/2016
Fonte: Próprio autor
A radiação solar sofreu flutuações durante o turno da manhã, devido à presença de nuvens e chuva. Próximo do meio dia o céu estava aberto, sem nuvens. Obteve-se uma radiação global média de 719 W/m², tendo um pico de radiação de 1176,4 W/m².
A variação da radiação global do dia 11/07/2016 pode ser vista na Figura 13.
30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 42,0 44,0 46,0 48,0 50,0
08:20:54 10:44:54 13:08:54 15:32:54 17:56:54
Tem p e ratu ra [ ° C]
32
Figura 13-A variação da radiação global do dia 11/07/2016
Fonte: Próprio autor
O segundo dia de teste teve condições climáticas de céu aberto, sem a presença de nuvens. A temperatura máxima do tanque atingiu 50,6 °C as 14h. Ao final do dia o reservatório apresentava uma temperatura méda de 45,2 °C.
Pode-se verificar na Figura 14 a temperatura da água no tanque durante análise do segundo dia.
Figura 14-Variação da temperatura do tanque ao longo do dia 12/07/2016
Fonte: Próprio autor
Variação da radiação global durante o segundo dia pode ser visto na Figura 15
0 500 1000 1500
09:39:00 10:51:00 12:03:00 13:15:00 14:27:00 15:39:00 16:51:00
Radi
aç
ão G
lob
al [W/m
²]
Hora do dia
28,0 33,0 38,0 43,0 48,0 53,0
08:50:00 10:02:00 11:14:00 12:26:00 13:38:00 14:50:00 16:02:00 17:14:00
Tem
p
e
ratu
ra[
°C]
33
Figura 15-A variação da radiação global do dia 12/07/2016
Fonte: Próprio autor
Embora o objetivo do aquecedor solar feito de material reciclado seja apenas obter água aquecida no reservatório com temperatura ideal para uso doméstico, ou seja, água para banho,realizou-se medições quantitativas para inferir sua eficiência térmica.
O terceiro dia de teste, 13/07/2016, teve clima similar ao primeiro dia de teste, com manhã nublada. Radiação global média de 591,56 W/m² e temperatura ambiente média de 31,94 °C. Foi possível analisar a radiação global, temperatura ambiente, temperatura de entrada no coletor e temperatura de saída do coletor.
Na Figura a seguir é possível ver a variação da temperatura ambiente e da radiação global ao longo do dia.
Figura 16-Variação da temperatura ambiente e da radiação global 13/07/2016
Fonte: Próprio autor
0 200 400 600 800 1000 1200
08:10:00 09:22:00 10:34:00 11:46:00 12:58:00 14:10:00 15:22:00 16:34:00
R ad iaç ão G lo cal [W/m ²]
Hora do dia
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 1200 08 :1 0: 53 08 :4 1: 53 09 :1 2: 53 09 :4 3: 53 10 :1 4: 53 10 :4 5: 53 11 :1 6: 53 11 :4 7: 53 12 :4 6: 48 13 :1 7: 48 13 :4 8: 48 14 :1 9: 48 14 :5 0: 48 15 :2 1: 48 15 :5 2: 48 16 :2 3: 48 16 :5 4: 48 Tem p e ratu ra [° C] R ad iaç ão G lo b al [ W/m ²]
Hora do dia
Radiação
34
Para o cálculo da efiência, tomou-se como base medidas realizadas de hora em hora. O teste iniciou-se com a temperatura da água do reservatório a 29,2 °C, conseguindo elevar a temperatura da água em 21,4 °C. Ao final do dia o reservatório apresentava uma temperatura média de 43 °C. O coletor solar apresentou eficiência média de 20,53%. Os valores da
temperatura de entrada no coletor (Frio), saida do coletor (Quente) e a diferença entre elas (Diferença) podem ser analisados na Figura 17.
Figura 17- Temperatura da água na entrada e saída do coletor13/07/2016
Fonte: Próprio autor
No quarto dia de teste, 14/07/2016, a radiação global média foi de 701 W/m² e temperatura ambiente média de 34,5 °C.
Na Figura 18 é possível ver a variação da temperatura ambiente e da radiação global ao longo do dia.
29,6 31,4
33,1 35,2
37,4 40
42,3 43,6 42,4 39,6 39,8 39,4
46,7 47,9 48,6 46,8 45,6
44,9
10
8,4
6,3
11,5 10,5 8,6
4,5
2 2,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tem p e ratu ra [° C ]
Hora do dia
Frio
Quente
35
Figura 18-Variação da temperatura ambiente e da radiação global 14/07/2016
Fonte: Próprio autor
O teste iniciou com a temperatura da água do reservatório a 30,2 °C, conseguindo elevar a temperatura da água em 20,1 °C. Ao final do dia o reservatório apresentava uma temperatura média de 43 °C. O coletor solar apresentou eficiência média de 22,91%. Os valores da temperatura de entrada no coletor (Frio), saida do coletor (Quente) e a diferença entre elas (Diferença) podem ser analisados na Figura 19.
Figura 19-Temperatura da água na entrada e saída do coletor14/072016
Fonte: Próprio autor
0 10 20 30 40 50 0 200 400 600 800 1000 1200
08:00:00 10:24:00 12:48:00 15:12:00
Tem p e ratu ra [° C] R ad iaç ão G lo b al [ W/m ²]
Hora do dia
Radiação Global
Temperatura Amb
30,2 31,7
33,6
37,3
41
43,3 44,8 44,5
40,1 39,3
42,7
45,4
48,1 50 49,5 47,3
45,4 45,4
9,1 11
11,8 10,8
9 6,2 2,5 0,9 5,3 0 10 20 30 40 50 60
09:21:50 10:21:50 11:21:50 12:21:50 13:21:50 14:21:50 15:21:50 16:21:50 17:19:50
Tem p e ratu ra [° C]
Hora do dia
Frio
Quente
36
No último dia de teste, 15/07/2016, radiação global média foi de 827,78 W/m² e temperatura ambiente média de 36,2°C.
Na figura 20 é possível ver a variação da temperatura ambiente e da radiação global ao longo do dia.
Figura 20-Variação da temperatura ambiente e da radiação global 15/07/2016
Fonte: Próprio autor
Iniciou-se o teste com a temperatura da água do reservatório a 35 °C, conseguindo elevar a temperatura da água em 17,1 °C. Ao final do dia o reservatório apresentou uma temperatura média de 45 °C. O coletor solar apresentou eficiência média de 21,87%
Figura 21- Temperatura da água na entrada e saída do coletor15/072016
Fonte: Próprio autor
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 1200
10:00:00 11:12:00 12:24:00 13:36:00 14:48:00 16:00:00
R ad iaç ão G lo b al [ W/m ²] Tem p e ratu ra [° C]
Hora do dia
Radiação
Temperatura
35,2 38,9
42,1 44,7
46,3 46,4
41,8 45,1
49,2 51,3 51,6 51,5 49,5 47,7
9,9 10,3 9,2
6,9 5,2
3,1 5,9
0 10 20 30 40 50 60
10:02:16 11:02:16 12:02:16 13:02:16 14:02:16 15:02:16 16:02:16
Tem p e ratu ra [° C]
Hora do dia
FRIO
QUENTE
37
6 CONCLUSÃO
Durante todos os dias de teste, obteve-se a temperatura média final da água do reservatório acima da temperatura de água inicial para banho quente, 37°C. O coletor solar alternativo de material reciclado foi capaz de atingir níveis de temperatura entre 11,4°C e 13,6°C superior à temperatura inicial para banho quente. Desta forma, o sistema mostra que é capaz de elevar a temperatura da água.
Comparativamente com coletores similares vendidos no mercado, o coletor solar de material reciclado apresentou uma eficiência abaixo do comercial. Coletores comerciais de superfície absorvedora de polipropileno ou termoplástico, segundo o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia – Inmetro, apresentam eficiências entre 48,6% e 56,5%, como pode ser visto no ANEXO B.
Apesar do rendimento térmico ser inferior aos similares comerciais, tendo atingindo uma eficiência térmica média de 21,77%, o coletor solar em estudo foi capaz de atingir seu objetivo ao final de todos os dias.
O coletor solar alternativo de material reciclado também mostrou-se ser um potencial concorrente para o s aquecedores encontrados no mercado, como pode ser visto no comparativo de preços do APÊNDICE B. O preço de mercado de produtos similares varia entre R$112,00 e R$219,00 reais. O coletor em estudo teve custo de R$158,05 reais.
38
REFERÊNCIAS
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Energia Solar. São Paulo, 2010. 42 p. Disponível em:
<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-Energia_Solar%283%29.pdf>. Acesso em: 25 jul. 2016.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DO PLÁSTICO (ABIPLAST) ALTERNER. Energia Solar Térmica. Lisboa, 2004. 5p. Disponível em <
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe2mYAF/energia-solar-termica?part=2>/. Acesso em: 25 jul. 2016.
BECKMAN, William A.; DUFFIE, John A. Solar Engineering of Thermal Processes. 4 ed. New York: Wiley,2013.
BIANCHINI, Henrique Magalhães. Avaliação Comparativa de Sistemas de Energia Solar Térmica. Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2013. Disponível em:
<http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10006094.pdf>. Acesso em: 25 jul. 2016.
ELETROBRÁS/PROCEL. Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de consumo - Ano-base 2005, 2007.
IQBAL, Muhammad. An introduction to solar radiation. Toronto: Academic Press Canada,1983.
KALOGIROU, Soteris A. Solar Energy Engineering Process and Systems. Amsterdam:Academic Press, 2009.
MESQUITA, Lúcio César de Souza. Eficiência de coletores solares e comparações entre tubos evacuados e coletores planos. São Manuel:DASOL,2013)
PEREIRA et al. Atlas Brasileiro de Energia Solar.1 ed. São José dos Campos: INPE, 2006.
39
APÊNDICE A – MATERIAIS E CUSTO
Qnt Componentes Preço
2 Placa de forro de PVC alveolar modular
1,25 x 0,62 m
R$60 reais
8 Tubos de PVC marrom 32 mm (f ext.)
R$24,50 reais
2 Luvas soldáveis de PVC marrom 32 mm
R$4 reais
4 Joelhos 90° de PVC marrom soldável de
32 mm
R$6,40 reais
2 Caps de PVC marrom de 32 mm R$4,60 reais
1 Adesivo (bi-componente) Epoxi R$ 33,90 reais
1 Esmalte sintético preto fosco (900ml)
R$24,90 reais
1 Reservatório de água 230L R$150,00 reais 2 Adaptadores soldáveis com flange e
anel de 32mm
R$11,75 reais
COLETOR R$ 158,05 reais
Total R$ 320,05 reais
40
APÊNDICE B – COMPARATIVO DE PREÇOS DE AQUECEDORES SIMILARES DISPONÍVEIS NO MERCADO
MARCA MODELO PREÇO
KS AQUECEDORES KS - 300 R$115,00
HELIOTEK HP3 R$189,00
SOLAR VEICO KIT1 R$112,00
TOPSOLAR THERMO BANHO R$124,00
TS SOLAR KIT BANHO R$118,50
TRANSSEN ACQUA PLUS R$211,00
KOMECO KOCS PS 2.0 R$219,00
SOLARIUM PP-200 R$114,00
41
ANEXO A – FLUXO MÁSSICO DE CIRCULAÇÃO NATURAL
A determinação numérica é feita considerando-se que em um circuito fechado, onde a posição inicial do circuito é a própria posição final, a força de empuxo é equilibrada pelas perdas por fricção através do circuito fechado, isto é:
(𝛥𝑃)𝑒𝑚𝑝𝑢𝑥𝑜 = (𝛥𝑃)𝑓𝑟𝑖𝑐çã𝑜
na qual (ΔP)empuxo é a diferença de pressão gravitacional devido aos lados quente e frio
do circuito e (ΔP)fricção é a diferença de pressão causada pelas forças de fricção, contrárias ao escoamento.
Por se tratar de um circuito onde a movimentação do fluido é natural, sem a utilização de bombas ou outras máquinas de fluxo, o escoamento é considerado laminar. Com as expressões para o coeficiente de fricção e do número de Reynolds, as perdas por fricção,
(ΔP)Fricção, podem ser expressas por:
(ΔP)fricção = 128ṁ.µ.𝛥𝑋𝑓𝜋.𝜌.𝐷4 (A.1)
na qual ṁé a vazão mássica de circulação, μ a viscosidade dinâmica do fluido térmico, Δ
Xf o comprimento equivalente de percurso do fluido no trocador de calor, ρ a densidade do fluido e D é o diâmetro do tubo.
A diferença de pressão devido à ação da gravidade, isto é, às diferentes temperaturas e densidades no circuito, pode ser estimada por:
(ΔP)g = (ρ2 − ρ1). g. ΔXg (A.2)
na qual ρ2 é a densidade da água na entrada do coletor, ρ1 é a densidade da água na saída
do coletor, g é a aceleração da gravidade e ΔX g é a diferença de altura entre a entrada e saída do coletor.
Igualando a Eq. (A.1) com a Eq. (A.2) encontra-se a expressão para a vazão mássica de circulação no circuito de termossifão, ou seja:
42
ANEXO B – COLETORES SOLARES COMERCIAIS
Figura 22- Eficiência de coletores solares comerciais PRO-SOL
43
Figura 23-Eficiência de coletores solares comerciais SOLARUM
44
ANEXO C- MEDIÇÃO NUMÉRICA DA VAZÃO MÁSSICA DA ÁGUA NO COLETOR SOLARDE MATERIAL ALTERNATIVO RECICLADO
A medição numérica da vazão mássica da água no coletor solar de material reciclado, ou seja, a relação do volume de água por unidade de tempo que circula na tubulação de PVC, foi feita utilizando o programa de computador Microsoft EXCELL.
A equação que se tomou por base para estruturar o programa foi a equação do
Anexo A, (Eq. A.3). Esta equação depende dos parâmetros: ρ (densidade da água), g (aceleração da gravidade), ΔXg (comprimento do desnível entre a entrada e a saída do coletor), D (diâmetro da tubulação de PVC), µ (viscosidade média dinâmica da água) e ΔXf
(comprimento do percurso do fluido na tubulação de PVC).
Os dados de densidade, viscosidade e calor específico da água foram adquiridos pela internet, em um site que disponibiliza estes dados em tabelas para diferentes temperaturas. Através destes dados foi utilizado o programa Excel para gerar funções com dependência da temperatura.
A seguir são apresentados os gráficos de densidade x temperatura, viscosidade x temperatura e calor específico x temperatura.
Figura 24- Linha de tendência para densidade da água
Fonte: Próprio autor
y = 4E-05x3 - 0,0076x2 + 0,0546x + 999,87
R² = 1
986 988 990 992 994 996 998 1000 1002
0 10 20 30 40 50 60
45
Figura 25- Linha de tendência para viscosidade dinâmica da água
Fonte: Próprio autor
Figura 26- Linha de tendência para o calor específico da água
Fonte: Próprio autor
y = -2E-10x4 + 4E-09x3 + 9E-07x2 - 6E-05x + 0,0018
R² = 0,9994
0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 0,0014 0,0016 0,0018 0,002
0 10 20 30 40 50
Vi sco si d ad e d in âm ic a [ kg/m .s )] Temperatura [°C] Viscosidade Polinômio (Viscosidade)
y = 5E-11x6 - 9E-09x5 + 6E-07x4 - 2E-05x3 + 0,0004x2 -
0,0062x + 4,2318 R² = 0,9999
4,17 4,18 4,19 4,2 4,21 4,22 4,23
0 10 20 30 40 50 60
