mÉtodo de caracterizaÇÃo do rendimento tÉrmico de … · os valores máximos de temperatura...
TRANSCRIPT
MÉTODO DE CARACTERIZAÇÃO DO RENDIMENTO TÉRMICO DE UM SISTEMA
DE AQUECIMENTO ARTESANAL À LUZ SOLAR.
ALVES, Fernando da Silva, SIGORA, Thiago da Silva.
Faculdade de Apucarana. E-mail: [email protected]
RESUMO
O presente trabalho teve como finalidade apresentar a metodologia utilizada para
medir o rendimento térmico de um coletor solar, construído a base de chapa
galvanizada, vidro, poliestireno expandido e condutores de cobre. A pesquisa foi
realizada durante um período longo, obtendo-se resultados bastante relevantes, o
que culminou no cálculo da potência média efetiva alcançada pelo aparelho e as
curvas de aquecimento nos horários de exposição solar.
Palavras-chave: coletor solar, rendimento térmico, artesanal e medidas de
temperatura.
ABSTRACT
The present work had as purpose to present the used methodology to measure the
thermal efficiency of a solar collector, constructed to the galvanized plate base, glass,
expanded polystyrene and copper conductors. The research was carried through
during a long period, getting itself resulted sufficiently excellent, what effective
reached for the device and the curves of heating in the schedules of solar exposition
culminated in the calculation of the average power.
Key Words: solar collector, thermal efficiency, artisan and measures of temperature.
INTRODUÇÃO
É de conhecimento de todos os educadores que uma atividade experimental,
seja como elemento de motivação ou de construção do conhecimento, desempenha
um papel importante no processo ensino aprendizagem. Desta forma, a articulação
do ensino com a pesquisa com o objetivo de gerar produtos que tenham aplicação
tecnológica e que colabore para o desenvolvimento sustentável da população, a
nível local e regional, são um dos desafios a serem vencidos pelos sistemas
educacionais atuais.
Por outro lado, analisando a situação do abastecimento energético no País e
até mundial, constata-se o aumento sistemático da demanda energética provocada
pelo desenvolvimento industrial e tecnológico, o qual não demonstra sinais de
diminuição no consumo energético, haja vista o padrão socioeconômico implantado
que incentiva o consumo e não controla o desperdício de energia.
Em contra partida, as ações governamentais para suprir a demanda a longo
tempo, esbarram nas limitações físicas, econômicas e principalmente ambientais em
suprir esta crescente demanda. E ainda, o petróleo cada vez mais escasso, é mais
um indicativo da necessidade de uma forma de energia limpa e renovável.
O Sol produz energia a partir da fusão nuclear dos seus gases, mantendo
esta atividade por milhões de anos. Por esta razão, é uma fonte primária de energia
renovável, com a responsabilidade de gerar outras fontes de energia, tais como:
ciclo das águas que mantém as hidrelétricas, bio-óleo, biogás, carvão e o petróleo
na sua origem. A intensidade média de energia solar que chega ao Planeta é de 1,3
KW /m2, (Hallyday et al, 2002), mas grande parte da radiação é refletida pela
atmosfera, na media, apenas 233 w/m2 chegam ao solo, (Aikawa et al, 1983).
Neste contexto, o estudo da absorção da energia solar por efeito térmico e a
disseminação desta técnica possui grande importância, pois grande parte da energia
elétrica consumida pela população se atribui ao aquecimento de água para diversos
fins. E também corrobora no desenvolvimento sustentável e na qualidade de vida da
sociedade, uma vez que é um sistema de fácil construção e de baixo custo.
OBJETIVOS
• Quantificar a capacidade de conversão da radiação solar em calor,
utilizando um coletor de baixo custo.
• Desenvolver equipamentos de aplicação tecnológica voltada a
preservação do meio ambiente e qualidade de vida da comunidade
regional.
• Contribuir na formação de professores na área de Matemática e Física.
METODOLOGIA
O sistema Coletor Solar foi desenvolvido com materiais de fácil acesso e
de baixo custo, os quais podem ser encontrados em depósitos de materiais para
construção, desta forma, é possível a construção doméstica do equipamento.
O sistema de aquecimento consiste de modo geral em três partes
principais, coletor, condutores e reservatório.
O coletor é constituído por três partes: caixa metálica, condutores internos
e tampa de vidro. A caixa metálica foi confeccionada de metalão galvanizado,
comumente utilizado na fabricação de calhas, com dimensões de 1m x 0,5m x 0,02m
com área de absorção de 0,5 m2. A parte interna foi pigmentada na cor preta, com o
objetivo de aumentar a absorção térmica, e a parte externa foi revestida de isopor
para reduzir a dissipação do calor ao meio externo. Quatro metros de condutores de
cobre de 10 mm de diâmetro foram fixados no interior da caixa metálica deixando
suas extremidades para fora, como é mostrado na Figura -1. Uma placa de vidro de
dimensões, 1m x 0,5m x 0,003m, fixada com silicone, foi utilizada para fechar a caixa
metálica.
Figura 1. Demonstração simplificada do coletor.
Os condutores externos são canos de plásticos flexíveis e tem função de
ligar o coletor ao reservatório. Estes não possuem isolamento térmico, devido à
proximidade do coletor ao reservatório, 1,5 m, neste caso.
A água quente deposita-se naturalmente no reservatório, quando este está
situado acima do nível do coletor. O aumento de temperatura no coletor provoca a
expansão térmica da água, à medida que a temperatura se eleva, a densidade da
água diminui, produzindo um fluxo ascendente da água aquecida [Nussenzveig,
2002, pg. 40].
Para realizar as medidas de rendimento térmico, isto é, a energia retida
pelo sistema, foi utilizado um reservatório de isopor com a capacidade interna de
8,45 litros, com saída de água fria na base e entrada de água quente na parte
superior.
Para caracterizar o sistema e verificar a capacidade de retenção de calor
do equipamento, foram realizadas medidas de aquecimento do coletor em dois
ângulos em relação ao sol e em dois períodos do ano. E, principalmente, foram
realizadas medidas de aquecimento da água no reservatório em função da
profundidade com o intuito de verificar a dinâmica interna de aquecimento. Após
esta etapa, a água do reservatório teve sua temperatura homogeneizada através da
agitação para determinar a quantidade de calor absorvido.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O coletor tem a função de absorver energia transportada pela radiação
eletromagnética e convertê-la em energia térmica, calor. Para caracterizar a
eficiência de contenção de calor do coletor, foi medido seu aquecimento em função
do tempo sem a circulação de água. A influência da inclinação do coletor em relação
ao sol pode ser vista na Figura -2.
Figura – 2. Temperatura interna em função do tempo de exposição ao sol
para dois ângulos do coletor, em duas diferentes épocas do ano.
A incidência direta da luz aumenta significativamente a absorção, na Figura
2 (a), nota-se um aumento de 30% no aquecimento máximo entre os ângulos de
15 e 60 graus em relação a horizontal. Em todas as medidas realizadas, o coletor
estava direcionado ao norte, posição de maior incidência da luz (Pereira et al,
2000). Na Figura 2 (b) nota-se que a temperatura para a inclinação de 30 graus
se eleva mais rapidamente em relação à de 14 graus.
A Figura 3 compara as variações de temperatura no interior do coletor em
dois períodos distintos do ano, os meses de julho e novembro.
Figura - 3. Temperatura interna do coletor em função do tempo de exposição ao sol
para períodos distintos do ano.
De acordo com a Figura – 3, a temperatura no mês de novembro aqueceu
o coletor 25 oC a mais em comparação com o mês de julho. Esta medida é
importante, porque a taxa de transferência de calor entre corpos é proporcional à
diferença de temperatura entre eles, [Nussenzveig, 2002, p. 280], no caso, água e
coletor. Os valores máximos de temperatura sinalizam o potencial de aquecimento
do coletor, porém, não é suficiente para caracterizá-lo, pois para manter a taxa de
transporte de calor, o coletor tem que ter boa absorção da radiação solar. Para
determinar a eficiência do sistema de aquecimento foi medido o aquecimento da
água em um reservatório de isopor para minimizar a dissipação de calor.
Lembrando que dentro do reservatório, a água mais quente fica na parte
superior e a fria na inferior, estabelecendo-se um gradiente de temperatura,
medindo-se a temperatura em diferentes níveis, na superfície, 5 cm, 10 cm e no
fundo do reservatório, a 20 cm, como demonstrado na Figura - 4. A superfície
aquece rapidamente e posteriormente o fluxo do ciclo fechado faz com que a água
fria seja trocada pela quente, aumentando o volume de água quente de cima para
baixo. Logo, a temperatura nos níveis inferiores vai subindo gradativamente.
Figura - 4. Temperatura da água do reservatório em vários níveis em função do
tempo, (a) julho, (b) novembro.
Os valores de temperatura apresentados na Figura – 4 mostram a dinâmica
realizada pela água quente, estas medidas são fundamentais para projetar a relação
entre a área do coletor e as dimensões do reservatório. A intensidade do fluxo
depende da diferença de temperatura entre a superfície e o fundo do reservatório. Na
Figura – 4(a), a temperatura na superfície do reservatório parou de subir porque
atingiu a temperatura do coletor, a medida que a temperatura do fundo se aproxima
da temperatura da superfície o fluxo diminui até parar, neste momento o coletor não
absorve mais calor e seu rendimento é nulo.
Como previsto, no mês de julho, mês de menor irradiação solar, o
rendimento foi inferior ao mês de novembro (Nagaoka et. al, 2005), como observado
na Tabela -1.
A potência média de absorção do sistema foi obtida através da equação,
)1(.TmcE ∆=
No qual, E é a energia absorvida pela água em joules, m a massa em
gramas, c é o calor específico da água, 4,19 j/g oC, e ∆T a variação de temperatura
da água no reservatório entre o início da exposição solar e o final, após a
homogeneização.
A potencia média é dada por,
)2(.t
EP
m
∆=
Substituindo a equação 1 na equação 2, encontra-se a potência média do
sistema em função dos parâmetros medidos, estes parâmetros e o resultado
encontram-se na Tabela -1.
Tabela -1. Rendimento térmico do sistema de aquecimento a luz solar.
Período Julho Novembro
Temperatura inicial (oC) 23,5 28
Temperatura homogênea ( oC ) 39 40
Variação da temperatura ( oC ) 15,5 12
Massa de água ( g )x103 8,45 8,45
Tempo exposição solar (min) 245 120
Potencia média (watts) 37 59
Para facilitar a comparação entre os resultados obtidos e as necessidades
cotidianas, na Tabela - 2 são realizadas estimativas de rendimento em unidades
de potência, watts, para um metro quadrado de coletor, energia acumulada no
mês em kWh e volume de água aquecida.
Tabela - 2. Estimativa de rendimento para coletor de 1 m2, com 5 horas de
exposição diária ao sol nas condições climáticas do período de realização do
experimento.
Período Julho Novembro
Potencia média para 1 m2 de
coletor (watts).
74 118
Energia absorvida no mês
( kWh )
11 18
* Quantidade de água aquecida
por dia (litros)
30 63
* Considerando o aquecimento da temperatura inicial, 23,5 oC para julho e 26 oC
para novembro, até a temperatura de 34 oC, agradável para o corpo humano.
A estimativa da Tabela - 2 mostra que durante o ano, por exemplo, 4 metros
quadrados deste coletor podem aquecer de 120 a 252 litros de água por dia e
economizar de 44 a 72 kWh de energia elétrica no mês. Este resultado é da ordem
da metade do consumo médio de energia mensal da população brasileira (IBGE,
2007).
CONCLUSÃO
Baseado em análises dos dados, concluímos que um painel construído
artesanalmente, de baixo custo, possui eficiência viável para ser manufaturado e
utilizado pela população, substituindo o uso de energia elétrica para aquecimento
de água em dias de sol. O uso de energia elétrica nas residências para
aquecimento não pode ser descartado, pois em dias nublados e chuvosos o
equipamento não é eficiente, contudo, na maioria das regiões do País há uma
predominância de dias de sol ou parcialmente de sol. Assim, nestes dias
parcialmente nublados ainda haverá aquecimento, resultando em uma redução no
consumo de energia elétrica quando utilizada a água pré-aquecida.
REFERÊNCIAS
AIKAWA, S.; MATA S. F. ; ROMANI, S. C. A importância dos coletores na viabilização da secagem de grãos com energia solar. In: SEMINÁRIO SOBRE SECAGEM DE PRODUTOS AGRÍCOLAS COM ENERGIA SOLAR, 1983, Campinas. Anais Campinas: UNICAMP, 1983. p.30-87.
NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física básica, Fluidos Oscilações e Ondas
Calor. Ed. 4ª. São Paulo. Edgard Blücher. 2002. 328 p.
HHAALLLLIIDDAAYY;; RREESSNNIICCKK EE WWAALLKKEERR.. FFuunnddaammeennttooss ddee FFííssiiccaa.. GGrraavviittaaççããoo,, OOnnddaass ee TTeerrmmooddiinnââmmiiccaa.. EEdd.. 66ªª.. RRiioo ddee JJaanneeiirroo:: LLTTCC,, 22000022.. PEREIRA, R. G. et al. Desenvolvimento de um coletor solar alternativo utilizando materiais reaproveitáveis. Mundo & Vida, v.2, n.1, 57-60. 2000. NAGAOKA, A. K; SAMPAIO, C. A de PAIVA; BOFF, C. E; ARALDI, A. A. R. Desenvolvimento de um Coletor Solar Utilizando Reciclagem de Lâmpadas Fluorescentes. Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.4, n.2, p. 120-125, 2005.
IBGE. Disponível em: <
http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/indicadores/industria/pimpfbrenergia_nova/pf
brenergia10200605.shtm >. Acesso em 25 julho 2007.
Agradeço a FAP (Faculdade de Apucarana) e a FUNPESQ (Fundação de Incentivo a
Pesquisa) pelo apoio neste trabalho.