UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMIDO DE ELETROTÉCNICA
ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA COM ÊNFASE EM AUTOMAÇÃO
DESENVOLVIMENTO DE LUMINÁRIA INDUSTRIAL A LED COM APROVEITAMENTO DA DISSIPAÇÃO TÉRMICA PARA AQUECIMENTO DE
ÁGUA
CURITIBA 2014
ANDERSON RENAN ZILLI FLAVIA LIMA BORGES DA COSTA GABRIEL ARTHUR FRANSCIOSI SEIXAS
DESENVOLVIMENTO DE LUMINÁRIA INDUSTRIAL A LED COM APROVEITAMENTO DA DISSIPAÇÃO TÉRMICA PARA AQUECIMENTO DE
ÁGUA
CURITIBA 2014
Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Industrial Elétrica com Ênfase em Automação da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
LISTA DE SIGLAS
LED Light Emitter Diode
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
VSAP Lâmpadas a Vapor de Sódio Alta Pressão
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Emissão de Luz em um LED...6
Figura 2 - Eficiência Luminosa x Anos em lm/W de lâmpadas...6
Figura 3 - Eficiência Luminosa LED x VSAP...7
Figura 4 - luminária AN-HL - 30W a 160...8
Figura 5 - Lâmpada LED Philips ...8
Figura 6 - Lâmpada Hydralux-4...9
Figura 7 - Luminárias industriais Philips...9
Figura 8 - LED Arcrich 2 – 13W ...10
Figura 9 - Térmica do LED Arcrich 2 – 13W...11
Figura 10 - Gráfico com destaque na energia dissipada pelo LED...11
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 5 1.1 TEMA ... 5 1.1.1 Delimitação do Tema ... 9 1.2 PROBLEMA ... 11 1.3 JUSTIFICATIVA ... 12 1.4 OBJETIVO ... 12 1.4.1 Objetivo Geral ... 12 1.4.2 Objetivos Específicos ... 13 1.5 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO ... 131.5.1 Fase 1 (Estudo Bibliográfico) ... 13
1.5.2 Fase 2 (Estrutura Metodológica): ... 13
1.5.3 Fase 3 (Teste Práticos): ... 14
1.5.4 Fase 4 (Análise Documental): ... 14
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 15
1.7 CRONOGRAMA ... 15
5
1
INTRODUÇÃO
1.1
TEMA
A solidificação dos conceitos de eficiência energética, juntamente com o avanço tecnológico, vem proporcionando uma grande mudança nas instalações elétricas nos últimos anos. A todo o momento pode-se observar novas tecnologias sendo lançadas no mercado, visando sempre um melhor aproveitamento da energia consumida. Esse fato tornou-se um grande fator de decisões em projetos elétricos, em todos os setores, seja ele residencial, comercial e industrial (Goeking, 2007).
Dentro da filosofia de eficiência energética, um setor que está em grande desenvolvimento é o da iluminação. Com o avanço da tecnologia LED o consumo de energia das instalações elétricas tende a diminuir significativamente. O investimento inicial ainda é maior que os sistemas de iluminação convencionais, entretanto, com a gradativa redução do preço do produto, já pode-se dizer que é possível considerar a viabilidade de muitos projetos. “Já é fácil constatar retorno de investimento em prazos inferiores a um ano”, destaca Fernando Stinchi, presidente da Biosfera, empresa especializada no segmento de iluminação (FREITAS, 2013).
Atualmente, os equipamentos de iluminação que utilizam LEDs para a emissão de luz já deixaram de ser apenas uma tecnologia futura e passaram a ser uma tecnologia do presente. Além de sua eficiência que vem crescendo a cada ano, esta tecnologia proporciona uma iluminação com menos radiações na frequência do infravermelho, e também do ultravioleta (SANADA et al, 2013).
De acordo com Freitas (2013) atualmente a utilização de LEDs na iluminação mundial representa cerca de 15% do mercado mundial, enquanto no Brasil apenas 5% se considerar todas as lâmpadas e luminárias, nacionais ou importadas. Mas a projeção é que no ano de 2015 essa fatia passe a representar 50% do segmento e segundo expectativas internacionais, atinja cerca de 80% em 2020. Com esses dados vemos a ascendência dessa nova tecnologia e sua provável dominação do mercado de iluminação.
O LED é um componente eletrônico semicondutor, formado através de uma junção p-n. Os semicondutores são materiais que ao receber deposição de elementos com determinadas cargas, se tornam levemente carregados, positivamente ou negativamente. Nesta junção p-n temos dois tipos de materiais, um com lacunas (positivo) e outro com elétrons
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(negativo). Ao passar uma corrente elétrica por esse componente, entrando pelo lado negativo, força-se um fluxo de elétrons em direção as lacunas, e a recombinação elétron-lacuna provoca a liberação de fótons. A figura 1 apresenta uma simplificação do fenômeno.
Alem da nova tecnologia apresentar uma ótima durabilidade ainda se mostra mais vantajosa quanto a questões ambientais pois não contem materiais nocivos ao ser humano como o mercúrio, presente em lâmpadas de descarga. Mas o que deve-se destacar como principal diferencial desta nova tecnologia é a eficiência (lm/W) e o rápido avanço apresentado. A imagem 2 retrata bem essa ultrapassagem diante as lâmpadas convencionais e a projeção para os próximos anos (SANADA et al, 2013).
Figura 2 – Eficiência luminosa x Anos
Fonte: SANADA (2013)
Figura 1 – Emissão de luz em um LED
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Um dos fatores para o LED conseguir uma maior eficiência de lm/w é descrita na dissertação de mestrado de Roberto Pereira Sales:
A pequena dimensão do LED, e a emissão de luz em ângulo de abertura menor que 180º permite que seja maximizada a utilização do fluxo luminoso, direcionando exatamente para a área a ser iluminada. Como conseqüência, em relação às lâmpadas de descarga, necessita de menos lúmens para atingir a mesma iluminância. A Bluespan (2009) coloca que neste ponto o LED tem fator de utilização de 85 a 90% acima da lâmpada VSAP. A Figura 20 demonstra a eficácia do direcionamento das lâmpadas LED na IP que proporciona maior rendimento do fluxo luminoso que as luminárias com lâmpadas tradicionais que emitem luz em todas as direções. (SALES, 2011)
Com o progresso acelerado apresentado pelos fabricantes, sistemas a LEDs já conseguem substituir lâmpadas acima de 400W, modelos extremamente populares em ambientes industriais. Nesse nível de potência, uma luminária LED equivalente dissipa uma quantidade de calor muito elevada. Sem uma eficiente refrigeração, o sistema facilmente pode atingir uma temperatura maior que a nominal, o que causa a redução de sua vida útil (FREITAS, 2013).
Os sistemas tradicionais de refrigeração desenvolvidos pelos fabricantes, utilizam os fenômenos físicos de irradiação, condução e principalmente o de convecção através de dissipadores e seu correto projeto é um dos pontos necessários para se retirar o máximo desempenho dos LEDs. As imagens 4 e 5apresentam dois modelos diferentes que são duas tendências no mercado para manter o conjunto a uma temperatura ideal. A luminária
Figura 3 – Eficiência luminosa LED x VSAP
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industrial para até 160W comercializada pela Masterled é montada sobre um dissipador, o LED é fixado na parte inferior do dissipador e então o fluxo de calor entre a luminária e o ambiente se dá no sentido horizontal de baixo para cima em quanto a lâmpada da Philips utiliza a própria carcaça para a dissipação enquanto a (FREITAS, 2013).
Por meio de pesquisas em catálogos de fabricantes e distribuidores, foi encontrado apenas uma fabricante produzindo luminárias LED com resfriamento feito com água, a EternalLEDs, que produz a Hydralux-4. Essa lâmpada contém um recipiente com uma cavidade que se enche com um líquido, um módulo de fonte de luz para penetrar o líquido e um condutor de temperatura axial contendo uma primeira porção próxima do módulo de fonte de luz, e uma segunda porção que se estende no líquido ao longo de uma direção axial da cavidade para longe do módulo de fonte de luz para transferir calor uniformemente da fonte de luz através do líquido até o recipiente.
Figura 4 – luminária AN-HL - 30W a 160W
Fonte: MASTERLED (2012)
Figura 5 – Lâmpada LED Philips
9
1.1.1
Delimitação do Tema
As luminárias industriais mais tradicionais no mercado possuem potências em torno de 400W no sistema HQI. Pode-se considerar como exemplo, a figura 7 apresenta dois modelos de luminárias encontrados no catálogo da Philips, as duas são para lâmpadas de vapor metálico de 250 ou 400W.
Figura 6 – Hydralux-4
Fonte: EternalLEDs (2011)
Figura 7 – Luminárias industriais Philips
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No contexto atual, para conseguir uma equivalência de luminosidade é necessário uma potência de aproximadamente 130W em lâmpadas LEDs. O sistema para aquecimento de água aproveitando a dissipação de calor dos LEDs utilizará dez módulos de 13W da linha Arcrich2 comercializado pelo fabricante Seoul Semiconductor. A escolha levou em consideração a fácil aquisição desse modelo. Assim a luminária que será inteiramente desenvolvida pela equipe terá um total de 130W, podendo substituir os modelos mais comuns em industrias (SEOUL SEMICONDUCTOR, 2013).
A tecnologia Acrich se difere das tecnologias LEDs tradicionais por ser a primeira que pode ser diretamente conectada em 127V ou 220V AC sem necessitar um conversor DC, isto possibilita a sua adequação em várias aplicações de iluminação residenciais e comerciais Outros fabricantes fazem o uso de drivers para fornecer uma corrente contínua para os componentes. (SEOUL SEMICONDUCTOR , 2013).
A luminária a ser desenvolvida trará um conceito inovador, com um sistema de dissipação que aproveitará o calor gerado pelos módulos LEDs. Transmitirá a energia térmica para um fluxo de água corrente entre a tubulação do sistema, ocasionando um aumento da temperatura em um determinado volume de água.
Para atingir este objetivo, precisa-se dos conceitos de termodinâmica dos LEDs, e dos materiais que irão compor o protótipo. A partir das características do modulo escolhido, serão calculadas as variáveis do circuito que o calor percorrerá até entrar em contato com a água, o básico pode ser visualizado com ajuda da ilustração na figura 9 que corresponde a parte interna do LED. Existe a resistência térmica entre a junção e o material que a suporta,
Figura 8 –LED Acrich 2 – 13W
11
depois a resistência até a placa em que o componente está montado, mais a resistência entre a placa e o dissipador, e a entre o dissipador e a água. (SEOUL SEMICONDUCTOR, 2013)
1.2
PROBLEMA
Há menos de uma década os LEDs eram chamados de luz do futuro. Já eram conhecidas as vantagens sobre as lâmpadas incandescentes e fluorescentes, principalmente em relação à eficiência energética. Embora os LEDs ainda não tenham roubado a cena no setor residencial, inúmeras aplicações já são realidade principalmente no setor industrial (GOEKING, 2007).
De acordo com a Seoul Semiconductor, uma das maiores fabricantes dessa nova tecnologia, de toda a energia consumida por um LED, apenas 15% é transformado em luz, os outros 85% são consumidos em forma de calor, isso quer dizer que a maior parte da energia consumida não é utilizada (SEOUL SEMICONDUCTOR, 2013).
Em uma luminária industrial com potência total de 130W, o equivalente a energia não consumida de forma útil é de 110,5W. Levando em consideração que em instalações industriais é comum a utilização de uma grande quantidade de pontos de luz, a demanda de energia consumida sem utilização gera certos questionamentos: Alguma parte pode ser reaproveitada? Como utilizar essa energia que está sendo "desperdiçada"?
Figura 9 - Gráfico com destaque na energia dissipada pelo LED
Fonte: SEOUL SEMICONDUCTOR (2013) Figura 9 – Térmica do LED – 13W
12
1.3
JUSTIFICATIVA
O aumento da população e o avanço tecnológico são dois fatores que ocasionam um aumento do consumo de energia mundial no decorrer dos anos. Consequentemente, o ser humano busca suprir essa demanda utilizando recursos naturais e gradativamente estamos literalmente consumindo o nosso planeta. Pensando na questão ambiental, grandes indústrias e comércios devem sempre buscar a maior eficiência energética possível em suas instalações e produtos.
Como já mencionado, o LED transforma 85% da energia consumida em calor, percebendo esse desperdício, encontra-se a possibilidade uma solução para a utilização desta energia. Em relação ao mercado industrial consumidor, há uma fatia ainda não explorada nesse segmento, cria-se portanto, expectativas e possibilidades de inovação ao substituir o sistema de dissipação convencional por um sistema hidráulico de aquecimento de água.
Vale destacar que, na área tecnológica não existe nada parecido com o conjunto luminária LED refrigerada a água, evidencia-se significativamente o potencial comercial desse projeto. Além disso, ao aproveitar o calor gerado pelo LED no aquecimento de água não existe um impacto na conta de luz, apenas será utilizado o que já está sendo consumido.
1.4
OBJETIVO
1.4.1
Objetivo Geral
Desenvolver uma luminária LED industrial que permita o aproveitamento do calor gerado pela dissipação térmica de uma luminária a LED de alta potência. Esse equipamento será voltado para ambientes industriais, com o objetivo de aquecer água para utilização em qualquer outro processo fabril.
13
1.4.2
Objetivos Específicos
Propor uma solução base para a parte luminotécnica. Estudar possíveis soluções para o conjunto de dissipação. Escolher uma solução de engenharia para o sistema térmico. Equacionar a termodinâmica do sistema.
Montar o protótipo da solução escolhida. Testar o protótipo.
Analisar a possibilidade de criação de kits do produto.
1.5
PROCEDIMENTO METODOLÓGICO
O presente trabalho de conclusão de curso apresentar-se-á dividido em três disciplinas curriculares da engenharia industrial elétrica com ênfase em automação: metodologia aplicada ao TCC, trabalho e conclusão de curso 1 e conclusão de curso 2, correspondendo as seguintes distribuição de fases: Estudo bibliográfico, estrutura metodológica, testes práticos e, finalmente análise documental.
1.5.1
Fase 1 (Estudo Bibliográfico)
Nesta fase inicial do trabalho será feita uma pesquisa bibliográfica, no sentido de buscar subsídios científicos e práticos para o desenvolvimento do projeto, visando o embasamento teórico nos tópicos principais sobre o LED, iluminação, eficiência energética e transferência de calor. Será feita uma pesquisa em livros, teses, artigos, revistas, sites e também com opiniões de profissionais da área e professores especializados nesta temática.
1.5.2
Fase 2 (Estrutura Metodológica):
A aplicação da metodologia da pesquisa dar-se-á principalmente nessa fase, neste momento será construída a luminária e estrutura mecânica para aquecimento de água. O sistema utilizará o calor dissipado pelos LEDs, baseada nas soluções que melhor satisfaz os
14
objetivos planejados e traçados no projeto. Será elaborado também o projeto em CAD para validar os esforços térmicos dos materiais específicos, procurando evitar uma baixa durabilidade da máquina.
1.5.3
Fase 3 (Teste Práticos):
Nessa etapa do projeto serão feitos testes e ensaios para validar a boa funcionalidade do projeto. Estes testes serão realizados nos laboratórios da UTFPR. Se verificado a ocorrência de alguma falha, novas soluções deverão ser propostas para futuros projetos de conclusão de curso.
1.5.4
Fase 4 (Análise Documental):
Após os testes da estrutura, organização, verificação e comprovação de todas as etapas, conforme projetado levantar-se-á os dados mais relevantes de seu funcionamento, dentre eles cálculos térmicos, viabilidade econômica, possibilidade de construção de kits, e serão feitas as considerações finais.
1.6
ESTRUTURA DO TRABALH
A estrutura do trabalho
apresentação da proposta do Trabalho de Conclusão de Curso. imprescindível e necessário
mesmo a bibliografia do tema LED sendo ínfima, uma vez que o tema é recente mundialmente.
No capítulo I será desenvolvido
justificar a necessidade do nosso projeto de acordo com a utilização da energia consumida pelos LEDs
O segundo capitulo será o desenvolvimento e
o desenvolvimento da pesquisa, apresentando a fundamentação globais, sendo estes: LEDs, Iluminação
finalmente o desenvolvimento da luminária a LED e do sistema de dissipação de calor. O terceiro capítulo ser
das pesquisas, desenvolvimento, problemas durante o percurso e, principalmente sobre os testes e as considerações finais do projeto do TCC.
1.7
CRONOGRAMA
Figura 11 - Cronograma
Fonte: Própria
ESTRUTURA DO TRABALHO
A estrutura do trabalho será divida em capítulos. O primeiro capítulo apresentação da proposta do Trabalho de Conclusão de Curso.
necessário pesquisas e leituras em revistas, livros, teses,
mesmo a bibliografia do tema LED sendo ínfima, uma vez que o tema é recente
o capítulo I será desenvolvido um estudo aprofundado do tema, objetivando justificar a necessidade do nosso projeto de acordo com a problemát
utilização da energia consumida pelos LEDs.
O segundo capitulo será o desenvolvimento e tecerá considerações significativas para o desenvolvimento da pesquisa, apresentando a fundamentação teórica
LEDs, Iluminação, Eficiência Energética e Transferência de Calor. o desenvolvimento da luminária a LED e do sistema de dissipação de calor.
O terceiro capítulo será a conclusão e apresentará as análises dos resultados a partir pesquisas, desenvolvimento, problemas durante o percurso e, principalmente sobre os testes e as considerações finais do projeto do TCC..
CRONOGRAMA
15
ítulos. O primeiro capítulo contemplará Para este intento é teses, artigos, sites, etc. mesmo a bibliografia do tema LED sendo ínfima, uma vez que o tema é recente
um estudo aprofundado do tema, objetivando problemática encontrada na
tecerá considerações significativas para teórica com quatro temas , Eficiência Energética e Transferência de Calor. E o desenvolvimento da luminária a LED e do sistema de dissipação de calor.
apresentará as análises dos resultados a partir pesquisas, desenvolvimento, problemas durante o percurso e, principalmente sobre os
16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CONEXLED - Vantagens do LED. Disponível em: < http://www.conexled.com.br/led/> Acessado em 29 de janeiro de 2014.
FREITAS, L.. Avanço a velocidade da luz, Revista Lumière nº 183, ano 15, p. 48 - 54, Julho 2013.
GOEKING W.; MIRANDA P.; NEGRÃO P.. À espera da era do LED. Revista Lumière, nº 109, ano 09, p. 38 - 44, maio 2007.
MAMEDE FILHO, J.. Instalações Elétricas Industriais. 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
PHILIPS - Philips MASTER LED shows superior performance in independent study.
Disponível em <http://www.newscenter.philips.com/main/standard/about/news/press/
20090507_master_led.wpd>. Acessado em 29 de janeiro de 2014.
PIMENTA, José Luiz. Poderão os LEDs Substituir as lâmpadas convencionais? Revista LA_PRO, São Paulo , edição especial, novembro 2004.
SALES, Roberto P. LED, O Novo Paradigma da Iluminação Pública. 2011. 173f,
Dissertação (Mestrado em Desenvolvimento de Tecnologia) - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, Curitiba, 2011.
SANADA F.; SILVA J.; CARVALHO G.; SOUZA L.. Tecnologia LED: uma nova tendência, Revista Lumière nº 183, ano 15, p. 98 - 100, Julho 2013.
SEOUL SEMICONDUCTOR - LED Technoly.Disponívelem:
<http://www.seoulsemicon.com/en/html/technical/ledtech01.asp>. Acessado em 28 de novembro de 2013.
SOPACAZA, V.. Introdução a tecnologia de LED. Revista LA_PRO, São Paulo , edição 1, p. 5- 10, novembro 2008.
UTILUZ – Conheça o LED. Disponível em: <http://www.utiluz.com/pt/oled>. Acessado em 10 de novembro de 2013.
