62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 14. Engenharia

Construção, Caracterização Física E MEDIDA DO RENDIMENTO de um aquecimento solar DE BAIXO CUSTO

Liliane Pimenta de Melo ¹
Júlio César Penereiro ¹

1. CEATEC, Fac. de Engenharia Ambiental - PUC-Campinas

INTRODUÇÃO:

Nos dias de hoje há cada vez mais um interesse pela energia solar em virtude das suas diversas vantagens. É disponível, pelo menos em certa medida, em qualquer parte do mundo, em contraste com os combustíveis fosseis e nucleares, além do fato que o uso da energia solar, em sua maioria, gera poucos problemas ambientais. Pode ser usada para fornecer eletricidade, calefação, resfriamento, transporte, iluminação e potência mecânica. O Brasil possui um grande potencial para utilização racional da energia solar, o que pode disponibilizar energia para o crescimento econômico do país. O uso de aquecedores solares constitui-se nas medidas de curto prazo mais apropriado para iniciar um processo do uso de energias limpas e renováveis com alcance social e econômico. Nesse sentido, a presente pesquisa consistiu na construção de um dispositivo para o aquecimento de água com materiais de baixo custo (eventualmente empregando materiais recicláveis), composto por coletores planos de PVC que aproveitam a energia solar. Utilizando sensores de temperaturas e um programa computacional, especificamente desenvolvido para coleta e cálculos envolvendo os parâmetros térmicos e climáticos, foram realizados vários ensaios experimentais visando a inferência da eficiência do sistema térmico.

METODOLOGIA:

A pesquisa foi desenvolvida no CEATEC da PUC-Campinas/SP. O aquecedor solar construído utiliza o sistema passivo direto. Nele a água é aquecida diretamente através de painéis solares, cuja circulação se dá por termossifão. As etapas empregadas foram: 1) construção de dois coletores solares planos visando o aquecimento de água; 2) medições de temperaturas da água com sensores térmicos do tipo DS1820 localizados em pontos estratégicos do aquecedor; 3) determinação da eficiência térmica instantânea do sistema e 4) identificação dos parâmetros de ganho e perdas térmicas do sistema. Para as medidas experimentais foi desenvolvido um sistema automático de coleta da temperatura para cada sensor. Os sensores foram intermediados com uma placa controladora conectada a um computador. A aquisição dos dados foi realizada por um programa escrito em PHYTON e no ambiente ECLIPSE. Através da aquisição dos dados realizados em vários ensaios, obteve-se a curva da eficiência energética dos coletores, que permitiu inferir a eficiência total do aquecedor solar, bem como identificar os parâmetros de ganho (F_r(τα)) e perda (F_rUL) de calor. As medidas foram armazenadas em arquivos padrão Excel. A irradiação solar e a temperatura ambiente foram extraídas do banco de informações do CEPAGRI-UNICAMP.

RESULTADOS:

Os ensaios e as coletas de medidas envolvendo os parâmetros térmicos e climáticos permitem identificar os princípios integrados de transmissão de calor, imprescindíveis no estudo de um aquecedor solar na forma como foi construído. Parte da energia absorvida pelos coletores solares é transferida para a água circulante, sendo essa a energia útil do sistema. Ela pode ser quantificada através da relação entre o fluxo de energia que chega ao reservatório, o fluxo de massa de água, o calor específico da água e as temperaturas da água na saída e entrada dos coletores. A variação da quantidade de energia transferida das placas para a água também depende de parâmetros climáticos, porém foi usada uma relação simplificada que envolve a energia útil, sendo que esta se encontra relacionada à irradiação solar incidente e a área total dos coletores. A partir do ensaio experimental medido em 16/02/2009, foram obtidas medidas de várias grandezas e elaborados gráficos onde foi possível identificar os parâmetros F_r(τα) e F_rUL. Identificamos para esses parâmetros os valores 1,4031 e 0,6317, respectivamente. Os resultados indicam que as grandezas relacionadas às características físicas do aquecedor são satisfatórias, quando comparadas a dados da literatura que envolve estudos similares.

CONCLUSÃO:

A construção e a utilização de um aquecedor solar de baixo custo, como o construído e desenvolvido nessa pesquisa, cuja finalidade foi meramente científica, permite explorar de forma qualitativa e quantitativa de vários conceitos envolvendo Física Básica e Moderna e certamente podem ser discutidos com estudantes dos cursos de Física e de Engenharias (em particular os cursos de engenharia: ambiental, civil, elétrica, mecânica e computação). Na medida em que o equipamento foi sendo desenvolvido, verificou-se a importância e necessidade de estudos teóricos para a sua otimização, uma vez que foram aplicadas técnicas da Física, Astronomia, Eletrônica e Computação. Foi realizada uma análise quantitativa do desempenho e da eficiência do aquecedor solar por meio de ensaios, medindo as temperaturas envolvidas através de sensores térmicos localizados em pontos estratégicos por onde ocorreu o fluxo de água. Através desse procedimento foi diagnosticado que o equipamento construído teve desempenho parcial satisfatório e, mesmo não tendo seguido os padrões encontrados nos demais trabalhos publicados nessa linha de atuação, possibilitou a realização de um ensaio com a qualidade surpreendente, pois a eficiência instantânea inferida foi de 61,0 +- 4,9%.

Instituição de Fomento: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

Palavras-chave: Aquecedor solar de água, Sistema fechado de aquecedor solar, Medida da eficiência térmica.