PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM GESTÃO E TECNOLOGIA AMBIENTAL. Eliezer Henker

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1 1 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM GESTÃO E TECNOLOGIA AMBIENTAL Eliezer Henker ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTOS DESUMIDIFICADORES PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL UTILIZANDO DIFERENTES SISTEMAS. Santa Cruz do Sul, fevereiro de 2012.

2 2 Eliezer Henker ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTOS DESUMIDIFICADORES PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL UTILIZANDO DIFERENTES SISTEMAS. Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Tecnologia Ambiental Mestrado, Área de Concentração em Gestão e Tecnologia Ambiental, Universidade de Santa Cruz do Sul - UNISC, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental. Orientador: Dr. Ênio Leandro Machado Co-orientador: Dr. Jorge André Ribas Moraes Santa Cruz do Sul, fevereiro de 2012.

3 3 Eliezer Henker ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTOS DESUMIDIFICADORES PARA OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL UTILIZANDO DIFERENTES SISTEMAS. Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Tecnologia Ambiental Mestrado, Área de Concentração em Gestão e Tecnologia Ambiental, Universidade de Santa Cruz do Sul - UNISC, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental. Dr. Ênio Leandro Machado Professor Orientador Universidade de Santa Cruz do Sul UNISC Dr. Jorge André Ribas Moraes Professor Co-Orientador Universidade de Santa Cruz do Sul UNISC Dr. Marcelino Hoppe Universidade de Santa Cruz do Sul-UNISC Dra. Lourdes Teresinha Kist Universidade de Santa Cruz do Sul-UNISC Dr. Francisco de Assis Salviano de Sousa Universidade Federal de Campina Grande - UFCG

4 4 Dedicatória Dedico este trabalho aos meus filhos, Félix e Khrystian e a minha esposa Marli.

5 5 Agradecimentos Agradeço aos Mestres pela iluminação e amparo em todos os momentos. Agradeço a minha família pelo apoio, incentivo e carinho. Agradeço a CAPES pela oportunidade da bolsa de iniciação científica e a FAPERGS por disponibilizar recursos que viabilizaram este projeto. Agradeço especialmente ao professor Ênio Leandro Machado pela dedicação extrema em todas as atividades muito além do esperado e da confiança depositada, por demonstrar muito antes de me conhecer os grandes valores humanos presente em seu caráter. Agradeço ao professor Jorge André Ribas Moraes pelas palavras de otimismo e serenidade na condução dos trabalhos. Agradeço aos professores do Mestrado em Tecnologia Ambiental e do Departamento de Engenharia que estavam sempre dispostos a oferecer uma mão amiga. Agradeço aos funcionários dos departamentos e Laboratórios pela dedicação e compromisso e em especial a Raquel Dioneia Petermann Schultz disposta a dar aquela força no momento certo. Enfim, agradeço a Bárbara Meier da Costa e a Fernanda Sartori Rodrigues, bolsistas de iniciação científica pela paciência, seriedade e dedicação no desempenho das atividades.

6 6 Resumo Este trabalho tem por objetivo principal a concepção e construção de sistemas desumidificadores para obtenção de água potável. A umidade do ar precipita por condensação na forma de gotas quando há contato do ar mais quente com uma superfície fria. Este fenômeno físico também é conhecido como orvalho. A pesquisa abordou elementos climatológicos da região do Vale do Rio Pardo demonstrando índices favoráveis a obtenção de água potável através da desumidificação. O experimento empregando garrafas de PET - Politereftalato de etileno, com água congelada demonstrou a capacidade de formação de orvalho na sua superfície em diferentes situações experimentais tais como vento, temperatura ambiente e umidade relativa. A fim de analisar alguns parâmetros de potabilidade da água as amostras foram submetidas a análises de coliformes totais, Escherichia coli, ph, turbidez, oxigênio consumido e condutividade. Todas as amostras apresentaram índices satisfatórios de potabilidade. Um dos sistemas propostos de desumidificação emprega a célula termoelétrica de efeito Peltier como fonte de superfície fria podendo ser acionado por energia elétrica convencional ou energia elétrica fornecida por painéis fotovoltaicos. O equipamento conta com uma unidade de desinfecção composta por lâmpada germicida de 254nm. O sistema é indicado para pequenas aplicações podendo gerar aproximadamente 2,6 L m -2 h -1 de condensado aquoso com um consumo energético de 7,92 kwh L -1 em uma umidade relativa - UR de 80%, ventos de 7 km h -1 e temperatura ambiente de 25 C. O segundo sistema emprega Amônia NH 3, Cloreto de cálcio CaCl 2 e irradiação solar como fonte energética no ciclo de absorção intermitente dia/noite. O emprego da NH 3 como elemento refrigerante e o CaCl 2 como absorvedor da NH 3 no ciclo regenerativo noturno dispensa o emprego de energia elétrica para obtenção de superfície fria no ciclo intermitente. Aspectos especiais construtivos foram necessários na elaboração do projeto bem como a observação dos riscos ocupacionais envolvidos com a manipulação da NH 3. O emprego de sistemas desumidificadores pode ser uma alternativa para obtenção de água potável em locais afetados pela escassez deste recurso sejam por ordem climática, catástrofes naturais ou locais isolados. Palavras chaves: Desumidificação, água potável, Célula Termoelétrica, Efeito Peltier, Refrigeração por Amônia.

7 7 Abstract The main objective of this work is the design and construction of systems dehumidifiers for obtaining drinking water. The air humidity by condensation precipitates in the form of drops when there is warmer air contact with a cold surface. This physical phenomenon is also known as dew. The study addressed climatological elements of the Vale do Rio Pardo demonstrating favorable rates to obtain drinking water by dehumidifying. The experiment using PET bottles - Polyethylene terephthalate, frozen water demonstrated the capacity to form dew on its surface in different experimental conditions such as wind, temperature and relative humidity. In order to analyze some parameters of drinking water samples were analyzed for total coliforms, Escherichia coli, ph, turbidity, conductivity and oxygen consumed. All samples showed satisfactory rates of potability. A dehumidification system proposed employs the Peltier effect thermoelectric cell as a source of cold surface can be powered by conventional electricity or electrical energy supplied by photovoltaic panels. The equipment has a disinfection unit consists of germicidal lamp of 254nm. The system is suitable for small applications can generate about 2.6 L m -2 h -1 aqueous condensate whit an energy consumption of 7.92 kwh L -1 at a relative humidity - RH 80%, and winds of 7 km h -1 and temperature of 25 C. The second system employs Ammonia NH 3, Calcium chloride CaCl 2 and solar irradiation as energy source in absorption cycle intermittent day / night. The use of NH 3 as the refrigerant and absorber as CaCl 2 regenerative cycle of NH 3 in the night dispensing the use of electricity to obtain cold surface in intermittent cycle. Special aspects of construction were necessary in preparing the draft and the occurrence of occupational hazards involved with handling of NH 3 in refrigeration systems. The use of desiccant systems can be an alternative for obtaining drinking water in areas affected by the scarcity of this resource in order to be climate, natural disasters or isolated locations. Keywords: Dehumidification, Clean Water, Thermoelectric Cell, Peltier Effect, Ammonia Refrigeration.

8 8 Lista de Figuras Figura 1: Tipos de Processamento de vapor de água atmosférico Figura 2: Diagrama esquemático do aparato experimental proposto por Kabeel Figura 3 : Pastilha Termoelétrica de Efeito Peltier Figura 4: Carta Psicrométrica Figura 5: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2008 e 01/12/ Figura 6: Precipitação pluvial entre 01/01/2008 e 01/12/ Figura 7: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2011 e 01/12/ Figura 8: Precipitação pluvial entre 01/01/2011 e 01/12/ Figura 9 Precipitação pluvial média, mensal máxima e mínima Figura 10: Condensação do ar através de superfície refrigerada empregando garrafas Figura 11: Exemplo de placas 3M TM de Petrifilm TM Figura 12: Unidade de desumidificação do ar e desinfecção com emprego de célula termoelétrica Figura 13: Protótipo para teste de configurações de pastilhas termoelétricas Figura 14: Formação de gelo e orvalho em configuração de duas células termoelétrica sobrepostas Figura 15: Experimentação de duas células termoelétricas sobrepostas de 40x40mm Figura 16: Projeto inicial de sistema regenerativo de compressão e descompressão de NH Figura 17: Projeto ICE MAKER Identificação das partes Figura 18: ICE MAKER na CETER-UNISC Figura 19: Precipitação Média Mensal em milímetros do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de Figura 20: Temperatura Máxima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de Figura 21: Temperatura Mínima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de Figura 22: Umidade Relativa do Ar Média em % do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de Figura 23: Placas 3M TM de Petrifilm TM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes com incubação de 24 horas... 51

9 9 Figura 24: Placas 3M TM de Petrifilm TM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes com incubação de 48 horas Figura 25: PWM para 1,0 Ampère Figura 26: Pastilha Peltier configurações de montagem do protótipo Figura 27: Sistema sobre bancada de pastilha termoelétrica sobreposta Figura 28: Sistema sobre bancada de pastilhas termoelétrica 40x40mm Figura 29: Vistas com corte parcial do equipamento com célula termoelétrica... 60

10 10 Lista de Tabelas Tabela 1: Teste sem presença de vento Tabela 2: Teste com a presença de vento de 1,2 km/h Tabela 3: Teste com a presença de vento de 8,5 km/h Tabela 4: Oxigênio Consumido O.C Tabela 5: ph, Turbidez e Condutividade da garrafa Tabela 6: ph, Turbidez e Condutividade da garrafa Tabela 7: Medições realizadas no protótipo com pastilhas sobrepostas Tabela 8: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas 62x62mm Tabela 9: Medições realizadas em bancada com pastilha 40x40mm Tabela 10: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas de 40x40mm 58

11 11 Lista de Quadros Quadro 1: Características físico químicas da Amônia Quadro 2 Dados climatológicos da Estação Meteorológica UNISC Campus Central entre 2005 e Quadro 3: Padrão microbiológico de potabilidade de água para consumo humano Quadro 4: Padrão de turbidez para água pós-filtração ou pré-desinfecção Quadro 5: Dados relacionados empregando pastilha termoelétrica sobreposta de 62x62mm... 60

12 SUMÁRIO Resumo... 6 Abstract... 7 Lista de Figuras... 8 Lista de Tabelas Lista de Quadros INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos REVISÃO DE LITERATURA Modelos de Configurações de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água Potável Experiências Brasileiras e Internacionais para Obtenção de Água Potável por Desumidificação Elementos de Configuração de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água Potável Agente Refrigerante Amônia Células de Semicondutor Efeito Peltier Temperatura do Ponto de Orvalho e Sua Importância na Obtenção de Água Através da Condensação METODOLOGIA Caracterização dos Dados Climatológicos Regionais Visando a Obtenção de Água Potável Através da Desumidificação Dados Climatológicos da Estação Meteorológica do Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias da Universidade de Santa Cruz do Sul Campus Central UNISC Histórico da Pluviometria em Santa Cruz do Sul Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada Análise da Qualidade da Água Coliformes Totais e Escherichia coli Determinação do Oxigênio Consumido OC Configurações dos Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água Potável Sistema Peltier Configurações de Células ermoelétricas Sistema Ice Maker RESULTADOS E DISCUSSÕES Aspectos Climatológicos Resultados dos Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada Determinação da Qualidade da Água nas Amostras do Sistema em Escala de Bancada Resultados dos Ensaios com Células Termoelétricas de Efeito Peltier Construção de Sistema de Desumidificação para Obtenção de Água Potável com Uso de Célula Termoelétrica Construção de Sistema de Desumidificação para Geração de Água Potável com Uso de NH 3 e CaCl 2 - ICE MAKER..., CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES Sugestões para Continuidade do Trabalho REFERÊNCIAS ANEXO A ANEXO B ANEXO C

13 13 1 INTRODUÇÃO Em uma visão macro, 97,5% da água presente no planeta é salgada e imprópria para consumo humano. Através de processos onerosos de dessalinização é possível tornar esta água potável. Os 2,5% restantes são consideradas águas doces e deste total 69% encontra-se em geleiras e neves eternas, 30% em água subterrânea, 0,7% em solos, ar e solos congelados e 0,3% estão disponíveis em rios e lagos (COIMBRA e ROCHA, 1999). Considerando estes dados, aliados ao crescimento populacional e o desenvolvimento industrial com a consequente utilização desenfreada de recursos naturais é possível prever problemas futuros de abastecimento de água para as populações. A gestão dos recursos hídricos é uma preocupação dos governos e de suas comunidades. Todas as medidas que podem minimizar o efeito anteriormente citado deverão incluir educação, saneamento ecológico, reuso de água para fins menos nobres, captação de água de chuva e preservação e recuperação das fontes de água potável. É claro que todos estes aspectos dos impactos antropogênicos nos ecossistemas globais são agravados por mudanças climáticas amplamente discutíveis. A escassez de água potável estabelecerá dificuldades cada vez maiores na maioria das cidades brasileiras nas próximas décadas. Cidades como Vitória, no Espírito Santo, podem experimentar esta acentuada carência de água potável nos próximos quinze anos. Períodos de secas são comuns em nossa região e em outros locais do estado bem como períodos de intensa precipitação pluviométrica. O Rio Grande do Sul apresenta uma média de precipitações entre 1200 a 2400 mm ao ano, no entanto, a mídia relata, ano após ano, famílias sendo afetadas com agravantes no mínimo comparáveis às regiões semi-áridas mais críticas do Brasil devido à falta de água e a má gestão dos recursos hídricos. Neste sentido, além das medidas de sustentabilidade ambiental e políticas públicas de saneamento e gestão de recursos hídricos, novas formas de obtenção e potabilização de água serão medidas de apoio para atenuação de problemas causados por catástrofes naturais, emergências e locais de difícil acesso. Com o exemplo do saneamento ecológico, a potabilização de água demandará cada vez mais de tecnologias limpas e ecodesign para captação, clarificação e desinfecção. Várias pesquisas estão demonstrando que coagulantes e auxiliares de clarificação, métodos de desinfecção e destilação com energia solar, cisternas, separação de fases com

14 14 termo-sifão, podem obter água potável em comunidades carentes e em regiões urbanas bem diversificadas socialmente em todo o mundo. Entretanto, outro enfoque de pesquisa deve ser considerado: empregar sistema desumidificador adotando a célula termoelétrica de efeito Peltier para gerar condensado aquoso e sistema de absorção intermitente empregando amônia e cloreto de cálcio em ciclo regenerativo dia/noite para obtenção de água. Experimentos para geração de condensados aquosos a partir da umidade do ar estão crescendo no interesse de alguns pesquisadores. Silva e de Souza (2009) investigaram a taxa de produção de água por metro quadrado de área resfriada para as condições de regiões semiáridas do Nordeste brasileiro. Os resultados são animadores, estabelecendo valores de 1,23 L h -1 m -2 com consumo de energia de 0,75 kwh. Desta forma, o problema de adoção das medidas de sustentabilidade ambiental e de fontes alternativas de água potável poderá ganhar com sistemas de desumidificação do ar com efetiva descentralização e flexibilidade de escalas para atenuar, no futuro, a escassez de água potável.

15 15 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivos Geral Conceber e construir equipamentos desumidificadores para obtenção de água potável empregando sistema com células termoelétricas de efeito Peltier e sistema com Amônia e Cloreto de Cálcio. 2.2 Específicos: Realizar diagnóstico climatológico na região da pesquisa; Estabelecer a configuração de equipamento de absorção intermitente - ICE MAKER empregando NH 3 + CaCl 2 e irradiação solar como fonte energética; Aplicar os equipamentos em unidade experimental da UNISC para avaliar o potencial de produção de água potável; Realizar análises parciais de potabilidade da água obtida, principalmente as características microbiológicas através de ensaios experimentais com base na Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde a fim de verificar a potabilidade das amostras. Determinar custos de implantação, operação e manutenção do sistema proposto para aplicação de novo produto tecnológico.

16 16 3 REVISÃO DA LITERATURA 3.1 Modelos de Configurações de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água Potável. O processamento de vapor de água da atmosfera Atmospheric Water Vapour Processing AWVP é amplamente discutido na comunidade científica. Fontes inovadoras de água potável em uso foram analisadas pela ONU United Nations (1985), considerando que em algumas localidades de regiões semiáridas e áridas do planeta são muito povoadas e também estão situadas em geral em países em desenvolvimento localizados na América Central, América do Sul, África, Oriente Médio e sul da Ásia como é o caso das cidades às margens do Golfo Pérsico e do Mar Mediterrâneo. Wahlgrenn (1998 e 2001) apresenta diferentes configurações de sistemas AWVP divididos em três modalidades: Resfriamento de superfícies através de bombas de calor ou radiação de frio; uso de dessecantes sólidos ou líquidos e convecção induzida em estrutura controlada, Figura 1.

17 17 Ar atmosférico úmido Projeto tipo 1 Projeto tipo 2 Tipo? Projeto tipo 3 Resfriamento da superfície por bomba de calor ou resfriamento radiativo Vapor de água concentrado por dessecante Convecção induzida por estrutura controlada tipo 3 a Tipo? tipo 3 b Absorção por líquido dessecante Absorção por sólido dessecante Figura 1: Tipos de Processamentos de vapor de água atmosférico Fonte: Wahlgrenn (1998 e 2001) Em seus estudos relaciona a tecnologia dos sistemas, o consumo em kwhm - ³ de água produzida bem como as necessidades diárias de água para diferentes aplicações. Faz um comparativo de custeio entre os diferentes métodos analisados para obtenção de cada m³ de água, por fim relaciona algumas sugestões para configuração de sistema desumidificadores AWVP. Para a produção de água a partir de nevoeiros, Cereceda et al (1992) tem um custo estimado de US$ 4,46m -3, já o processamento de vapor de água atmosférico através da coleta em grande escala de orvalho, Rajvanshi (1981), é próxima a US$12,24m -3 e através do sistema AWVP de água de oceano, Paton and Davies (1996), fica em torno de US$5,32m -3. A água coletada da atmosfera pode não ser própria para consumo. Processamento de grandes volumes de água pode concentrar agentes patogênicos e detritos segundo, Michael (1996).

18 18 Em seus estudos, Wahlgren (1998 e 2001), aponta a necessidade de tratamento da água coletada por intermédio de cloração e desinfecção por ultravioleta e ozônio. A água coletada pode ainda ser mineralizada para retirada do sabor de água destilada e para atender padrões de potabilidade, Kajiyama (1974) e para saúde gástrica, Yamamoto et al. (1981). 3.2 Experiências Brasileiras e Internacionais para Obtenção de Água Potável por Desumidificação A proposta do desumidificador e potabilizador de água corrobora as pesquisas já realizadas por cientistas brasileiros e do exterior, no entanto, a aplicação de células termoelétricas para obtenção de orvalho é uma nova alternativa tendo em vista o avanço tecnológico dos materiais semicondutores e custos acessíveis. Equipamentos alternativos exploram a desumidificação do ar por troca de calor desde 1912, Silva e de Souza, (2009). Os sistemas usados configuram aparatos de refrigeração com a maior área de contato possível para arrefecimento e condensação. A aplicação de dessecantes sólidos e líquidos tais como CaCl 2, LiBr e etileno glicol em processos de absorção de sistemas regenerativos de desumidificador para obtenção de água potável foram propostos por Hall (1966) e Sofrata (1981). A obtenção da água potável se dá através da separação do dessecante da água por aquecimento e condensação do vapor. No estudo de aplicação de dessecante líquido, Sultan (2002) demonstra a eficiência do sistema absorvedor/regenerador analisando a influência da temperatura e a velocidade do ar bem como a concentração do dessecante nos períodos de absorção e regeneração do equipamento testado. O modelo, experimental proposto por Kabeel (2004) empregando o dessecante CaCl 2 misturado com areia propõe um aparato experimental com possibilidade de inclinação, Figura 2.

19 19 1-Espuma 2-Chapas de aço 3-Suporte coletor 4-Hastes posicionadoras 5-Tampa de vidro 6-Bacia de coleta 7-Quadro da tampa 8-Puxador 9- Quadro metálico 10-Furos de fixação 11-Parafuso de fixação 12-Laminas de madeira 13-Tubo 14- Balão graduado Figura 2: Diagrama esquemático do aparato experimental proposto por Kabeel Fonte: Kabeel (2004) O trabalho avaliou os efeitos e desempenho de diferentes parâmetros no sistema especialmente durante o período de regeneração. Tais parâmetros foram: intensidade de radiação, temperatura ambiente e o ângulo de inclinação do equipamento. O sistema demonstrou que é possível coletar 1,2 L m -2 dia -1 de água e o ângulo de inclinação de 25 é o mais eficiente, no entanto, a diferença de produtividade é pequena. Nos experimentos de Silva e de Souza (2009) realizados em municípios paraibanos de Campina Grande e São João do Cariri, onde o clima é caracterizado como sendo semiárido, e cuja precipitação anual é de cerca de 750 mm/ano e 500 mm/ano respectivamente, foi

20 20 empregada a estrutura interna de um refrigerador doméstico como superfície de condensação. O modelo empregou fonte de energia elétrica convencional. Medições realizadas apontaram a produção de água com a porta aberta do refrigerador. Posteriormente a estrutura interna do congelador foi totalmente exposta ao ar ambiente e finalmente somente a tubulação que envolve o congelador. Devido às dificuldades de manuseio, um novo sistema foi adaptado empregando garrafas PET (Polietileno Tereftalato) de 2,5 litros com área superficial de 0,1m². O estudo apontou a produção de 1,23 L m -2 h -1 empregando as superfícies refrigeradas das garrafas PET e um consumo de 0,75kWh de energia elétrica. Habeebullah (2009) empregou bobinas de refrigeração semelhantes às empregadas em aparelhos de climatização. Para umidade relativa do ar típica da região da Arábia Saudita (entre 30 e 70%) foram obtidos 17,6 kg m -2 dia -1 para uma velocidade de vento de 2,25 m s -1. Na mesma pesquisa, em intervalo de investigação entre agosto e fevereiro foram obtidos valores médios de 401 kg m -2 mês -1. Já a região do Golfo Pérsico é considerada como sendo uma das áreas mais áridas do mundo e conta com pouquíssimas reservas de água doce. A região é a maior produtora de água potável do mundo através de usinas de dessalinização. Os investimentos ultrapassaram 40 bilhões de US$ nos últimos 20 anos. A operação de usinas de dessalinização tem um impacto negativo no meio ambiente local além de altos custos operacionais e de manutenção. A dependência tecnológica de instalação e operação dessas usinas somando a dependência crescente desse modelo de obtenção de água doce vê-se na obtenção de água potável através de fontes não convencionais uma alternativa de sustentabilidade. Helsarrag e Horr (2011) investigaram a obtenção de água potável através das unidades de refrigeração de ar condicionado amplamente utilizadas em instalações residenciais, comerciais e industriais na região do Golfo Pérsico. Os resultados demonstraram a produção de 7,2 L de água por dia por kw de arrefecimento o que viabiliza e gestão deste recurso tendo em vista que a precipitação na região fica em torno de 80 mm anuais.

21 Elementos de Configuração de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água Potável. Vários são os sistemas de desumidificação para obtenção de água potável citada pela literatura. Alguns sistemas empregam substâncias dessecantes sólidas ou líquidas na sua concepção a fim de reter a água e posteriormente separá-la através do aquecimento e condensação do vapor. A tecnologia de dessalinização emprega a osmose reversa para tornar potável a água do mar. Através da destilação também é possível extrair água potável de água saloba ou água do mar. A coleta de vapor de água de nevoeiros e a coleta de orvalho de superfícies também são maneiras de obtenção de água em ambientes onde há escassez de água. A extração de água do ar atmosférico pode ser realizada resfriando uma superfície abaixo do ponto de orvalho onde a umidade é condensada, Sultan (2004). Neste contexto a aplicação de efeito Peltier na concepção de um desumidificador tornou-se uma nova perspectiva na busca de configurações de pequeno porte e baixo custo, fácil operação e risco ocupacional reduzido. Sistemas de desumidificação por absorção regenerativa podem empregar energia solar direta como fonte energética para compressão de fluido refrigerante; usar energia elétrica convencional, painéis fotovoltaicos ou energia eólica para acionamento de compressores e ventiladores. Por outro lado, a teoria nos mostra que o emprego de fluidos refrigerantes tais como a amônia pode conferir ao sistema desumidificador uma eficiência vantajosa Agente Refrigerante Amônia A denominação agente refrigerante é dada a substâncias que possuem a capacidade de absorver grande quantidade de calor quando passam do estado líquido para o gasoso. Atualmente esses agentes são empregados em larga escala na refrigeração industrial. Características tais como volatilidade, calor latente de vaporização elevado, requerer baixa potência para compressão à pressão de condensação, temperatura crítica bem acima da

22 22 temperatura de condensação, ser estável, não apresentar efeito prejudicial a alguns metais, e lubrificantes e outros materiais utilizados nos demais componentes do sistema, não ser combustível ou explosivo sob condições normais de operação, fácil detecção em caso de vazamento, custo razoável e disponibilidade em abundância são algumas das características da amônia, Quadro 1. Entretanto, a amônia torna se altamente explosiva em concentrações acima de 15% em volume e é altamente tóxica. Ademais é considerada ecologicamente correta por ser o único refrigerante natural que não agride a camada de ozônio e não agrava o efeito estufa. No passado a amônia perdeu espaço com a introdução dos clorofluorcarbonos CFCs. Atualmente, vem ganhando espaço em virtude de suas propriedades termodinâmicas e seu baixo custo. Se utilizada com precauções é uma ótima opção em termos de agente refrigerante. Quadro 1: Características físico químicas da Amônia. Fonte: OSHA/EUA; NR ,4 kj mol - ¹ Células de Semicondutor Efeito Peltier Observado em 1834 por Jean Charles Athanase Peltier o efeito consiste na produção de um gradiente de temperatura quando submetido a uma corrente elétrica em materiais condutores ou semicondutores. O dispositivo termoelétrico possui duas faces principais,

23 23 Figura 3. O fluxo de calor depende do sentido da corrente e pode ser absorvido ou gerado de maneira reversível conforme, Pindado (2008). Figura 3 : Pastilha Termoelétrica de Efeito Peltier Fonte: Atualmente há no mercado pastilhas termoelétricas operando com o efeito Peltier em sistemas de refrigeração compactos tais como bebedouros e mini geladeiras. Na criogenia é empregado para obtenção de temperaturas próximas ao zero absoluto, necessárias para o estudo de supercondutores. As pastilhas consistem no arranjo de materiais semicondutores Tipo-N e Tipo-P em forma de matrizes. Ao circular corrente elétrica pelas junções o calor é transferido de uma junção a outra fazendo com que a pastilha aqueça de um lado e resfrie do outro. Em geral o material semicondutor das pastilhas é o tolureto de bismuto. As pastilhas possuem a versatilidade de configurações, podendo ser empregadas individualmente ou agrupadas para obter um gradiente de temperatura maior. Práticas relatadas em determinadas configurações de montagem demonstram a obtenção de gradientes de temperatura de algumas dezenas de graus Célsius. Ensaios e simulações com determinado modelo de célula Peltier empregando uma corrente de 2,4 ampères demonstra que após um certo tempo, aproximadamente 275 segundos, a pastilha termoelétrica mantém uma estabilização da temperatura de funcionamento fornecendo na face

24 24 fria -12 C e na face aquecida 51 C disponibilizando assim um gradiente de 63 C, Chaves et al, (2000) Temperatura de Ponto de Orvalho e Sua Importância na Obtenção de Água Através da Condensação. A temperatura a qual o vapor de água do ar é saturado é conhecida como a temperatura do ar em ponto de orvalho, Mitrani et al (2005). O ponto de orvalho é definido como a temperatura na qual o ar deve ser resfriado para que a condensação de água se inicie, ou seja, para que o ar fique saturado de vapor de água. A determinação da temperatura do ponto de orvalho se dá atravé da fórmula, Mota, (1999) e Tubelis, (2001): To = (237,3 * Log e a /0,611) / (7,5 Log e a /0,611) Onde e a é: e a = (UR * e s ) / 100 e s = 0,61078 exp [17,269 t / (t + 237,3)] UR é a Umidade Relativa e a =pressão real de vapor em kpa para t em ºC. e s = pressão de saturação de vapor em kpa para t em ºC. Através de cartas psicrométricas, Figura 4, é possível verificar simplificadamente algumas propriedades do ar tais como: temperatura de bulbo seco e úmido, umidade relativa e absoluta e temperatura do ponto de orvalho. A temperatura de orvalho é muito importante para previsão da possibilidade de condensação da umidade do ar em projetos de sistemas desumidificadores.

25 Figura 4: Carta Psicrométrica de Carrier 25

26 26 4 METODOLOGIA A metodologia envolveu as seguintes etapas: Caracterização dos dados climatológicos da microrregião de aplicação da pesquisa; Pesquisa dos tipos de sistemas desumidificadores empregados para obtenção de água potável; Configuração de um sistema experimental de bancada; Projeto e construção de sistemas de desumidificação e desinfecção para geração de água potável. Dois sistemas foram configurados: Sistema Peltier e Sistema regenerativo tipo ICE-MAKER empregando Amônia e dessecante CaCl Caracterização dos Dados Climatológicos Regionais Visando a Obtenção de Água Potável Através da Desumidificação O levantamento de dados climatológicos regionais foi realizado via dados disponíveis no Sistema de Monitoramento Agrometeorológico - AGRITEMPO na estação automática INMET de Rio Pardo nos intervalos de 01/01/2008 a 01/12/2011 (Figuras 5 e 6) e 01/01/2011 a 01/12/2011 (Figuras 7 e 8) e no Instituto Nacional de Meteorologia INMET, onde há disponibilidade de dados climáticos do Brasil de mais de 100 anos. Trimestralmente desde 2004 o INMET divulga o boletim climático do estado do Rio Grande do Sul contendo informações e prognósticos climáticos das regiões do estado para os próximos três meses, bem como condições climáticas globais. Dados climatológicos locais foram obtidos da estação meteorológica localizada no Município de Santa Cruz do Sul, Campus Central da Universidade de Santa Cruz do Sul UNISC. O Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos- CPTEC e o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE além de disponibilizar informações de climatologia também dispõe de dados referente à qualidade do ar.

27 27 C 01 / 12 Figura 5: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2008 e 01/12/2011. Fonte: Agritempo Estação INMET Rio Pardo Figura 6: Precipitação pluvial entre 01/01/2008 e 01/12/2011. Fonte: Agritempo Estação INMET Rio Pardo

28 28 Figura 7: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2011 e 01/12/2011. Fonte: Agritempo Estação INMET Rio Pardo Figura 8: Precipitação pluvial entre 01/01/2011 e 01/12/2011. Fonte: Agritempo Estação INMET Rio Pardo Dados Climatológicos da Estação Meteorológica do Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias da Universidade de Santa Cruz do Sul Campus Central UNISC Observaram-se dados entre os anos de 2005 e 2011, relacionando os índices de precipitação média mensal, temperatura do ar média máxima e mínima em ºC e a umidade relativa média do ar em %, Quadro 2.

29 29 Quadro 2 Dados climatológicos da Estação Meteorológica UNISC Campus Central entre 2005 e Fonte: Estação Meteorológica UNISC; Professor Dr. Marcelino Hoppe. ANO ÍNDICES JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ TOTAL Precipitação Média Mensal 89,9 18,8 79,8 153,2 161,3 64,8 41,9 107,4 180,1 224,0 58,7 65,3 1245, Temperatura Máxima Média - Celsius 32,5 31,5 30,5 24,6 22,8 22,5 20,3 22,8 19,7 23,4 28,6 29,7 Temperatura Mínima Média - Celsius 19,9 20,0 18,7 15,5 13,5 14,0 9,2 12,3 11,3 14,9 16,0 17,5 Umidade Relativa do Ar Média (%) 64,1 66,9 67, ,4 84,1 76,1 75,0 75,8 77,6 66,6 62,9 Precipitação Média Mensal 150,1 84,3 34,8 41,3 92,7 51,8 87,6 57,4 104,4 93,5 150,4 43,4 991, Temperatura Máxima Média - Celsius 31,7 30,4 29,6 25,7 19,5 20,8 22,1 21,0 21,6 26,5 26,5 31,7 Temperatura Mínima Média - Celsius 20,9 19,7 18,5 14,6 10,0 11,1 12,8 10,0 10,5 15,8 16,4 20,4 Umidade Relativa do Ar Média (%) 71,1 71,4 71,0 75,0 80,0 81,6 78,7 74,4 75,1 72,0 71,4 68,3 Precipitação Média Mensal 91,7 139,3 98,2 24,6 118,2 156,0 170,8 104,8 258,4 134,4 144, , Temperatura Máxima Média - Celsius 30,9 30,9 30,0 27,3 19,6 19,2 16,7 19,6 24,7 25,7 26,4 30,2 Temperatura Mínima Média - Celsius 20,7 20,1 21,1 17,1 10,4 10,6 7,6 9,5 15,0 16,9 14,2 18,7 Umidade Relativa do Ar Média (%) 71,1 70,7 79,1 77,8 81,3 78,4 76,3 77,1 75,5 75,7 69,4 68,4 Precipitação Média Mensal 49,5 86,6 97,2 94,6 159,0 163,6 111,4 125,6 117,0 225,0 41,2 74,2 1344, Temperatura Máxima Média - Celsius 32,2 30,3 29,2 25,4 22,5 17,3 21,1 21,1 21,4 24,0 28,7 29,9 Temperatura Mínima Média - Celsius 18,8 19,9 19,2 14,2 11,9 9,0 12,6 10,7 10,9 15,4 17,5 18,5 Umidade Relativa do Ar Média (%) 69,2 72,4 75,0 76,2 81,3 81,0 77,8 72,7 76,2 68,5 68,3 Precipitação Média Mensal 196,6 140,6 129,8 17,8 94,0 69,2 89,2 228,2 291,0 68,0 409,8 129,0 1863, Temperatura Máxima Média - Celsius 28,9 29,7 28,9 27,1 23,6 18,7 16,8 23,0 21,1 25,0 28,2 28,8 Temperatura Mínima Média - Celsius 19,0 20,2 19,2 15,0 12,7 8,3 7,0 11,3 13,3 14,3 19,7 20,0 Umidade Relativa do Ar Média (%) 71,6 74,2 76,9 73,2 77,3 79,5 77,8 76,1 79,2 72,0 80,2 72,8 Precipitação Média Mensal 238,0 106,8 45,6 80,9 104,0 128,3 174,0 28,8 196,4 47,6 76,4 82,6 1309, Temperatura Máxima Média - Celsius 29,8 31,9 29,1 25,4 20,8 19,8 20,1 19,6 22,0 24,4 27,6 30,0 Temperatura Mínima Média - Celsius 21,1 21,6 20,0 15,1 13,3 11,0 9,9 10,5 13,0 13,6 15,6 18,7 Umidade Relativa do Ar Média (%) 75,3 72,5 73,8 74,8 84,4 81,6 78,9 76,0 75,2 71,7 66,3 68,6 Precipitação Média Mensal 140,8 182,8 135,8 258,4 40,4 106, Temperatura Máxima Média - Celsius 32,3 29,5 27,7 25,9 21,1 18,4 Temperatura Mínima Média - Celsius 22,3 21,3 18,6 15,8 12,1 9,6 Umidade Relativa do Ar Média (%) 73,3 77,0 74,5 77,5 81,8 82,9 O quadro demonstra chuvas bem distribuidas durante o ano característico do clima subtropical úmido ou temperado. No período observado a precipitação média anual máxima de 1863mm ocorreu em 2009 e mínima de 991mm ocorreu em As variações de temperatura demonstram estações do ano razoavelmente bem definidas, característico do estado do Rio Grande do Sul. Os dados demonstram que nossa região não apresenta índices críticos em relação a precipitação.

30 Histórico da Pluviometria em Santa Cruz do Sul Dados coletados entre 1914 e 1968 da Estação Santa Cruz do Sul do Serviço de Meteorologia do Ministério da Agricultura, localizada a 29º43 de Latitude Sul e 52º25 de Longitude Oeste, em uma altitude de 52,5 m, demonstram que o número médio de dias com chuva no ano foi de 124,7. Segundo Hoppe (2005), os sete meses mais secos foi em junho a dezembro de 1917 com 476,4 mm, e os sete meses mais chuvosos ocorreram de abril a outubro de 1928 com 1.578,3 mm. O ano mais seco foi 1962 com total de 858,8 mm e o ano mais chuvoso foi em 1941, com 2325,4 mm. De acordo com suas observações a ocorrência de precipitações ao longo dos meses, na média, é bastante homogênea como mostra a Figura 9. Precipitação pluvial média ( ), precipitação mensal mínima ( ), precipitação mensal máxima ( ) em Santa Cruz do Sul ( ). Figura 9 Precipitação pluvial média, mensal máxima e mínima. Fonte: Elaborado por Dr. Marcelino Hoppe com dados da Estação Santa Cruz do Sul do Serviço de Meteorologia do Ministério da Agricultura. 4.2 Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada Após caracterização dos dados climatológicos foi considerada a etapa de desumidificação do ar para obtenção de água potável. A Figura 10 mostra o arranjo experimental para uso das garrafas PET de dois litros com área superficial de 0,08853 m² contendo no seu interior água congelada.

31 31 As garrafas foram fixadas com uma linha em uma barra metálica permanecendo com a tampa para cima a fim de facilitar a fixação e eliminar o uso de acessórios. Todos os ensaios foram realizados empregando duas garrafas. Antes do congelamento as garrafas eram lavadas com detergente, água, álcool e água deionizada e após dispostas no freezer do refrigerador. O período de congelamento das garrafas era de 12 horas o que garantia o total congelamento da água. Para o congelamento foi empregado um refrigerador tipo Duplex com consumo de 40kWh mês -1 ; ao serem retiradas do freezer as garrafas eram lavadas com água deionizada. Cones de Imhoff e suporte foram empregados para armazenar a amostra durante o experimento. Figura 10: Condensação do ar através de superfície refrigerada empregando garrafas PET. Fonte: Acervo Eliezer Henker Com a unidade de bancada foram verificados parâmetros operacionais e de controle do sistema. Os parâmetros de controle envolveram a velocidade do vento admitido para desumidificação, umidade relativa do ar, temperatura ambiente e temperatura de superfície e taxa de desumidificação. A coleta de dados foram realizadas de hora em hora. Os instrumentos de medição empregados foram:

32 32 Termometro : FLUKE 62 MINI IR Thermometer; Anemômetro: INSTRUTHERM termo-higro-anemômetro luxímetro digital portátil Modelo THAL A fim de simular diferentes velocidade do vento foi empregado um mini ventilador de 12volts, 0,25 ampéres e 3 watts e um circulador de ar doméstico médio 220volts, 0,32 ampères e 70watt. Os testes foram realizados em triplicata no período de 30/11/2011 a 16/01/ Análise da Qualidade da Água A água obtida por desumidificação foi caracterizada com os parâmetros de Matéria Orgânica, ph, Turbidez, Condutividade, Coliformes totais e Escherichia coli. Os parâmetros físico-químicos da água coletada foram analisados no Laboratório de Tecnologia e Tratamento de Águas e Efluentes - LATTAE da UNISC. A portaria 518/2004 do Ministério da Saúde relaciona o padrão microbiológico de potabilidade de água para consumo humano nos parâmetros de Escherichia Coli ou coliforme termotolerantes, Quadro 3. Quadro 3: Padrão microbiológico de potabilidade de água para consumo humano. Fonte: Portaria 518/ Ministério da Saúde.

33 33 A portaria recomenda que no sistema de distribuição o ph da água seja mantido entre 6,0 a 9,5. Na determinação do ph das amostras o método Potenciométrico foi adotado através de um phmetro. O Quadro 4 demonstra os Valores Máximos Permitidos - VPM de turbidez para água pós-filtração ou pré-desinfecção. Entre os 5% dos valores permitidos de turbidez superiores aos VMP estabelecidos no Quadro 4, o limite máximo para qualquer amostra pontual deve ser de 5,0 Unidade de Turbidez - UT, assegurado, simultaneamente, o atendimento ao VMP de 5,0 UT em qualquer ponto da rede no sistema de distribuição. Quadro 4: Padrão de turbidez para água pós-filtração ou pré-desinfecção Fonte: Portaria 518/ Ministério da Saúde. Para os parâmetros de turbidez foi empregado o Método Ótico através de um turbidímetro. A portaria não menciona valores máximos permitidos para Oxigênio Consumido - OC e Condutividade. A determinação do oxigênio consumido fornece a quantidade de material orgânico que é oxidável na amostra. Valores muito baixos de oxigênio consumido podem indicar uma elevada carga de material orgânico na amostra o que pode favorecer desenvolvimento de espécies anaeróbicas responsáveis por odores indesejáveis. O parâmetro de condutividade monitora os íons presentes nas amostras e indica a pureza da água como é o caso de medições realizadas em água destilada e água deionizada. Na determinação da condutividade, o Método Eletroqúimico foi adotado empregando um condutivímetro. o

34 Coliformes Totais e Escherichia coli A determinação de Coliformes totais e Escherichia coli empregou o método que utiliza placas 3M TM de Petrifilm TM. As Placas 3M Petrifilm para Contagem de Coliformes (CC) contêm nutrientes do meio Vermelho Violeta Bile (VRB), um agente geleificante solúvel em água fria e um indicador tetrazólico que facilita a enumeração das colônias. O filme superior retém o gás formado pelos coliformes fermentadores de lactose. Após a preparação das amostras nas placas Petrifilm TM deixar incubar em estufa bacteriológica. As primeiras leituras foram realizadas após 24 horas de incubação. Foram contabilizadas as colônias vermelhas e azuis associadas com gás como sendo Coliformes totais. Após foi contabilizado as colônias azuis associadas com gás como Escherichia coli. Veja exemplo da Figura 11 onde são demonstradas as colônias vermelhas e azuis de uma amostra contendo coliformes. Figura 11: Exemplo de placas 3M TM de Petrifilm TM Fonte: Laboratório LATTAE UNISC Após 48 horas contabiliza-se as colônias azuis associadas ao gás e as soma com as contabilizadas em 24 horas, este é o resultado de E. coli. Para expressar os resultados foi necessário observar as diluições realizadas nas amostras e determinar a eficiência, conforme indica o método, de acordo com o número de colônias formadas.

35 Determinação do Oxigênio Consumido - OC As amostras da água coletada foram submetidas ao método permanganato KMnO 4 para determinação do oxigênio consumido. O método é indicado para amostras com baixos índices de matéria orgânica. Foi Pipetado 100 ml de amostra em um enlenmeyer de 250 ml, adicionou-se 10 ml de ácido sulfúrico 1:3 e 10 ml de permanganato de potássio 0,0125N. Em outro enlenmeyer, colocou-se 100 ml de água destilada, 10ml de ácido sulfúrico 1:3 e através de uma bureta, 10 ml de permanganato 0,125N (branco). Os dois enlenmeyers foram colocados em banho maria durante exatamente 30 minutos. Por meio de uma bureta foi adicionado 10 ml da solução de oxalato de sódio 0,0125N em cada frasco tornando as soluções incolores. Em seguida foi titulado uma solução de KMnO 4 0,0125N até que uma cor rósea permanente foi obtida. O volume gasto da solução foi empregado na expressão para determinação do Oxigênio Consumido. O teor de OC em p.p.m. emprega a seguinte expressão: O.C.= [(K-N)] [(k-n)] x100 Volume da amostra Em que: K= volume total em mililitros de KMnO 4, gasto de amostra, incluindo aquele adicionado antes da ingestão; N= volume em mililitros, de oxalato usado na amostra; k= volume em mililitros de KMnO 4 usado no branco; n= volume em mililitros de oxalato usado no branco. Potável 4.4 Configurações dos Sistemas de Desumidificação para Produção de Água A configuração da fonte alternativa de água potável envolveu dois sistemas com uso de energia solar: O Sistema Peltier e o Sistema Ice Maker. No sistema Peltier foram concebidas e construídas unidade de fotodesinfecção inicial e unidade trocadora de calor com base na célula de Peltier.

36 36 Já o sistema ICE MAKER, possui um coletor de irradiação solar parabolóide e tubo concêntrico com cloreto de cálcio e amônia. O sistema foi inspirado no modelo montado conforme Vanek (1996). A unidade também apresentou possibilidade de combinar célula fotovoltaica para suprimento de energias aos ventiladores de baixa potência (3 W), lâmpada germicida (30 W) e sistema armazenador de água condensada. A unidade de condensação foi projetada para manutenção da potabilidade com irradiação via colimador em comprimento de onda de 254 nm Sistema Peltier O projeto da unidade de desumidificação do ar com emprego de célula termoelétrica de efeito Peltier, (Anexo A), apresenta particularidades especiais tais como o nível de compactação do sistema e a capacidade de agregar funções no equipamento facilmente operacionalizadas, Figura 12. O sistema está dividido em cinco partes: Fonte de alimentação Painel elétrico Unidade de captação de ar e esterilização de ar e água. Unidade de armazenamento de água Módulo de condensação

37 37 Figura 12: Unidade de desumidificação do ar e desinfecção com emprego de célula termoelétrica. Fonte: Acervo Eliezer Henker O equipamento é abastecido por uma fonte chaveada para PC bivolt 110/220 de 400watt - 6A. No painel elétrico é possível ligar e desligar o equipamento, controlar o acionamento de ventiladores que auxiliarão na formação de condensado, acionar a bomba hidráulica para retirada de água do sistema, controlar a velocidade do temporizador e acionar a lâmpada de UV para desinfecção da água. Todos os componentes possuem luzes identificadoras de funcionamento. A unidade de captação de ar e esterilização de ar e água é formada por uma câmara situada na parte inferior do equipamento. Um ventilador traseiro faz a coleta de ar para o sistema e outro posicionado na entrada dos dutos que seguem para o módulo de condensação maximiza o deslocamento de ar para aquele local.

38 38 Internamente uma lâmpada germicida ultravioleta UV, 254nm, é posicionada a fim de desinfetar o ar da câmara. É de conhecimento que lâmpadas UV são capazes de gerar Ozônio em pequenas ou grandes quantidades conforme suas características construtivas. O ozônio gerado pelas lâmpadas circulará pelos dutos do sistema proporcionando um ambiente desinfetado na estrutura interna do equipamento. A unidade de armazenamento de água é formada por um tubo de quartzo o qual permite a passagem de raios UV. Conectado ao tubo de quartzo está à bomba hidráulica responsável pela retirada de toda água do sistema de armazenamento. A fim de intensificar a desinfecção por UV refletores de alumínio polido foram posicionados em torno do tubo de armazenamento de água. A placa termoelétrica (62x62 mm/120 watts/15,4 volts/14 ampères) está situada no módulo de condensação. O Módulo é formado por uma caixa de poliestireno expandido - EPS, pastilha Peltier, dissipadores de alumínio, ventilador, reservatório plástico e funil. A pastilha Peltier é inserida na tampa da caixa de EPS que serve de isolamento térmico da face quente e fria da pastilha. Na parte superior da tampa é posicionado um dissipador de alumínio disposto em contato com a parte quente da pastilha. Sobre o mesmo são fixados dois ventiladores que auxiliam na dissipação do calor do lado quente. Internamente, em contato com o lado frio da pastilha, outro dissipador de alumínio é fixado. Neste elemento ocorre a condensação da água. A água condensada é armazenada na unidade de armazenamento formada pelo tubo de quartzo. Os materiais empregados na elaboração do sistema foram selecionados a fim de permitir uma fácil usinabilidade, custos reduzidos e fácil reciclagem. O alumínio foi amplamente empregado em elementos estruturais e acabamentos Configurações de Células Termoelétricas A fim de testar uma configuração alternativa de células termoelétricas foi elaborado um protótipo, (Figura 13), para colocação de duas pastilhas de 62x62 mm sobrepostas. O sistema consiste em uma chapa de alumínio onde são fixadas sob a mesma duas pastilhas. Um ventilador fará a dissipação do calor no lado mais quente. O protótipo possibilitou uma série de testes de funcionamento da célula termoelétrica. Diferentes tensões e intensidades de corrente foram submetidas a fim de averiguar o

39 39 desempenho das pastilhas e a formação de condensação. Aplicou se uma tensão de 01 a 08 volts nas células o que possibilitou registrar a intensidade de corrente e calcular a potência elétrica e o consumo de energia. Protótipo Fonte CC Ventilador Figura 13: Protótipo para teste de configurações de pastilhas termoelétricas. Fonte: Acervo Eliezer Henker Com o propósito de testar a pastilha termoelétrica considerando somente sua área do lado frio como superfície de condensação, cerca de 3,844x10-3 m² um sistema simplificado foi montado sobre a bancada. Na Figura 14 é possível visualizar o termômetro digital empregado nas medições, a fonte de tensão de corrente contínua - CC de 30 ampères com amperímetro e voltímetro digital ajustável, a fonte auxiliar de corrente contínua para funcionamento dos ventiladores e o multímetro digital para efetuar medidas elétricas.

40 40 Multímetro Fonte CC auxiliar Ventilador Dissipador Célula Termoelétrica Termômetro Digital Fonte CC Figura 14: Formação de gelo e orvalho em configuração de duas células termoelétrica sobrepostas. Fonte: Acervo Eliezer Henker O experimento empregou dois ventiladores de 12 volts e 0,24 ampères cada e uma fonte de tensão adicional para fornecer energia aos ventiladores. Testes com um segundo modelo de célula termoelétrica de dimensões menores com cerca de 1,6x10-3 m² de área na superfície de condensação foram realizados nas configurações simples e sobrepostas, Figura 15.

41 41 Multímetro Digital Fonte CC auxiliar Ventilador Dissipador Célula Termoelétrica Fonte CC Figura 15: Experimentação de duas células termoelétricas sobrepostas de 40x40mm. Fonte: Acervo Eliezer Henker Sistema ICE MAKER O projeto Gerador de Gelo com Energia Solar (ICE MAKER) teve por objetivo utilizar o ciclo dia/noite para geração de gelo a partir da Amônia. O projeto foi subdividido em quatro partes: Refletor Parabolóide Cápsula Geradora Serpentina condensadora Tanque térmico Inicialmente foi elaborado um croqui para um projeto piloto de um sistema compacto de desumidificação com emprego de NH 3, Figura 16, para somente posterior construção em escala maior do sistema regenerativo de compressão e descompressão de NH 3. O projeto

42 42 previa um sistema de dimensões reduzidas capaz de ser inserido em uma capela de laboratório; o aquecimento se daria através de uma manta térmica. Figura 16: Projeto inicial de Sistema regenerativo de compressão e descompressão de NH 3. Fonte: Acervo Eliezer Henker

43 43 O projeto em escala de bancada não foi construído, pois foi evidenciada a inviabilidade de construção de dois sistemas semelhantes tanto economicamente como também em relação ao cumprimento dos prazos por parte dos fornecedores. Passou-se assim a elaboração de esboços para determinar características de projeto e particularidades do sistema construído, (Anexo B). O refletor parabolóide tem por objetivo concentrar os raios solares na Cápsula Geradora, Figura 17. Mancal Refletor Paraboloide Caixa Térmica Cápsula Geradora Serpentina Condensadora Cavalete Tanque Térmico Figura 17: Projeto ICE MAKER Identificação das partes. Fonte: Acervo Eliezer Henker Confeccionado em estrutura de aço carbono SAE mm x 40 mm, com dimensões externas de dois metros de profundidade, 1,5 metros de altura e 4,5 metros de comprimento. O sistema parabólico é fixado sobre mancais fixos nos cavaletes laterais permitindo assim sua mobilidade e regulagem para reflexão e concentração dos raios solares sobre a cápsula geradora. Inicialmente o projeto previa que a região de reflexão seria confeccionada em chapa de aço inox polida ou alumínio polido. Em virtude do elevado custo dos materiais, o refletor parabolóide foi confeccionado em alumínio opaco, reduzindo assim

44 44 sua eficiência na reflexão dos raios solares. Futuramente será possível providenciar o polimento da região refletora a fim maximizar a eficiência de reflexão. A estrutura externa do sistema parabólico possui moldura em aço carbono que permite a colocação de vidro sobre a mesma. A colocação de vidro tem por objetivo proporcionar o efeito estufa no sistema diminuindo assim o tempo de ciclo e a eficiência em dias nublados. A cápsula geradora, Figura 17, tem por objetivo armazenar o dessecante cloreto de cálcio CaCl 2 empregado no sistema. Durante o dia é aquecida pelos raios solares o que ocasiona um aumento de pressão interna do sistema. A cápsula é confeccionada em tubo de aço carbono para alta pressão de três polegadas de diâmetro, por quatro metros de comprimento. O sistema prevê conexões e registros para alta pressão, união em aço carbono, manômetro em inox com escala até 2000 psi, dois acessos com registro para realização de vácuo e abastecimento de amônia e registro principal. A pressão interna do sistema pode ultrapassar 200 psi ou seja 13,6 Atm. A serpentina condensadora, Figura 17, tem por objetivo condensar o gás de amônia proveniente da cápsula geradora. A serpentina é confeccionada em tubo de aço carbono para alta pressão de 0,5 polegada de diâmetro. Na entrada possui niple para acoplamento junto a união da cápsula geradora e registro. A serpentina é confeccionada em segmentos de tubo de aço carbono e joelhos para alta pressão. A serpentina localiza-se dentro de uma caixa térmica que pode assumir a função de reservatório. A saída da serpentina do reservatório previu flange com vedação. Ao final da serpentina tem registro e união para acoplamento do tanque térmico. O tanque térmico, Figura 17, é confeccionado em chapa galvanizada, possui camada interna de Poliestireno expandido, EPS, de quatro centímetros de espessura. O tanque térmico possui tampa de EPS revestida de chapa galvanizada. No seu interior tem uma bandeja em inox de 50 mm de altura que ocupa toda a área interna inferior do tanque; neste local há o recolhimento do vapor de água condensado. A bandeja é posicionada com inclinação de 5 graus. Em um dos lados da bandeja é fixada uma torneira metálica que transpassa o tanque térmico ficando do lado externo. Um apoio em Inox dá sustentação ao tanque de armazenamento de amônia.

45 45 O tanque de armazenamento de amônia é confeccionado em tubo de aço carbono para alta pressão de 3 polegadas de diâmetro. Possui tampão em uma das extremidades e na outra possui redução, registro e niple para acoplamento na união da serpentina condensadora. Sua função é armazenar a amônia liquefeita no ciclo noturno. O tubo de 3 polegadas de diâmetro contém aletas de alumínio que favorecerá a troca de calor no ciclo noturno. Em uma das laterais da caixa térmica, na parte superior, possui abertura onde é fixo um ventilador que auxiliará a formação de condensado de ar sobre as aletas de alumínio. O sistema prevê um ventilador acionado por relé fotovoltaico no período noturno. O fornecimento de energia é disponibilizado por uma fonte de tensão de 12 volts e 2 ampères, alimentado por baterias carregadas através de energia solar por intermédio de células solares fotovoltaicas. O sistema ICE MAKER está localizado na Central de Tratamento de Resíduos CETER no campus universitário central da UNISC. No local há disponibilidade de radiação solar durante todo o dia, possui cercamento de suas dependências e acesso restrito de pessoas no local e que favorece o manuseio do equipamento e a coleta de dados, Figura 18. Figura 18: ICE MAKER na CETER-UNISC Fonte: Acervo Eliezer Henker

46 46 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 Aspectos Climatológicos A temperatura de ponto de orvalho é um fator chave no dimensionamento de sistemas de desumidificação para obtenção de água através da condensação. Os sistemas propostos idealizados buscam na sua concepção apresentar a superfície de condensação com temperatura abaixo do ponto de orvalho, minimizando assim problemas de ausência de condensação. Considerando que as precipitações anuais são satisfatórias na região e a umidade relativa do ar média anual fica entre 65 a 85% e a faixa de temperatura média mínima e máxima se concentra entre 5 a 35 C; a temperatura do ponto de orvalho poderá oscilar entre -1 e 32 C. Sob essa perspectiva o regime de trabalho dos sistemas desumidificadores propostos tem na sua superfície de condensação temperaturas abaixo do ponto de orvalho considerando a umidade relativa do ar e a temperatura ambiente no local do experimento. Durante as observações experimentais ficou evidente uma pequena variação da temperatura e umidade relativa do ar durante o tempo de coleta, fato comum em se tratando de climatologia, pois durante o dia há uma oscilação de temperatura ambiente e da umidade relativa do ar. Durante o dia quando a temperatura máxima é atingida, a umidade relativa será mínima e quando a temperatura do ar atingir a temperatura do ponto de orvalho a umidade relativa será máxima, ou seja, 100% e poderá haver condensação. A partir da tabulação dos dados da estação meteorológica da UNISC foi possível a elaboração da Figura 19, demonstrando as precipitações médias mensal entre os anos de 2005 e As precipitações dependem de muitas variáveis entre elas as frentes frias, condições de relevo, pressão atmosférica, temperatura do ar, direção e velocidade dos ventos enquanto que a umidade relativa é inversamente correlacionada com temperatura do ar. As curvas de temperatura média mínima e máxima do período, Figura 20 e 21, exibem a normalidade do ciclo das estações do ano verão/ outono/ inverno/ primavera. A Figura 22 demonstra a variação da umidade relativa média durante o ano e informa que no período do inverno, quando as temperaturas são mais baixas, a umidade relativa do ar é maior. Sistemas desumidificadores que interpretam esses dados de entrada, tais como, a temperatura da face fria, temperatura ambiente e umidade relativa podem economizar energia no seu funcionamento, adequando a temperatura da superfície fria do sistema para que a temperatura não fique muito abaixo da temperatura de ponto de orvalho.

47 Temperatura - (⁰C) Precipitação - (mm) 47 Assim a eficiência do sistema e a redução do consumo energético é mais apropriada Precipitação Média Mensal JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Figura 19: Precipitação Média Mensal em milímetros do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011 Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC. 35 Temperatura Máxima Média JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Figura 20: Temperatura Máxima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011 Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC.

48 Umidade Relativa - % Temperatura - (⁰C) Temperatura Mínima Média JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Figura 21: Temperatura Mínima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011 Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC Umidade Relativa do Ar Média - (%) JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Figura 22: Umidade Relativa do Ar Média em % do Campus Universitário de Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011 Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC.

49 Resultados dos Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada. Os experimentos realizados sem a presença de vento levou em consideração a área superficial de duas garrafas de PET totalizando 0,177m² e o tempo de amostragem em horas, Tabela 1. A energia consumida para congelar as garrafas PET foi de 0,66kWh para cada 12 horas de congelamento. Tabela 1: Teste sem presença de vento Data Duração (h) Temp. média da superfície da garrafa ( C) Temp. Ambiente média (C ) UR média (%) Volume coletado (L h -1 m -2 ) 30/11/ :00 5,47 27,84 56,8 0,14 1/12/ :00 5,93 24,05 44,6 0,04 2/12/ :00 6,00 25,85 45,8 0,06 Empregando a velocidade do vento de 1,2 km h -1 a produção de água através da condensação nas garrafas PET é acentuada, Tabela 2. Essa velocidade foi alcançada empregando um mini ventilador de 12 volts e 0,25 ampéres. Para esta situação o consumo de energia elétrica foi de 0,68 kwh para cada coleta. Tabela 2: Teste com a presença de vento de 1,2 km/h Temp. média Data Duração (h) da superfície da garrafa ( C) Temp. Ambiente média (C ) UR média (%) Volume coletado (L h -1 m -2 ) 23/12/ :00 7,00 28,32 47,65 0,16 10/1/ :00 7,45 28,72 50,02 0,18 12/1/ :00 9,89 27,43 57,62 0,23 Os testes experimentais com a velocidade do vento de 8,5 km h -1 empregando um ventilador doméstico tipo circulador de 220 volts, 0,3 ampéres e 70 watts teve um aumento considerável da produção de água conforme demonstra a Tabela 3. Neste caso é necessário considerar que o consumo total de energia elétrica é de aproximadamente 1,0 kwh.

50 50 Tabela 3: Teste com a presença de vento de 8,5 km/h Temp. média Data Duração (h) da superfície da garrafa ( C) Temp. Ambiente média (C ) UR média (%) Volume coletado (L h -1 m -2 ) 11/1/ :00 17,00 29,68 53,03 0,23 13/1/ :00 14,12 25,03 72,28 0,34 16/1/ :00 12,05 25,50 65,47 0,31 A máxima produção de condensado aquoso foi no dia 13/01/2012 onde a temperatura média observada no local do experimento ficou em 25,03 C, a umidade relativa média era de 72,28% e a velocidade do vento era de 8,5 km h -1. O total de volume coletado foi de 0,34 L h -1 m -2 com um consumo energético de 1,0kWh. Nesta situação a temperatura do ponto de orvalho estava próxima de 18 C e a temperatura na superfície fria das garrafas estava em média 14,12 C no período de coleta. Bancada 5.3 Determinação da Qualidade da Água nas Amostras do Sistema em Escala de As análises parciais da qualidade da água obtida por desumidificação no sistema em escala de bancada não apresentaram vestígios de coliformes totais e Escherichia coli no testes em triplicata realizados com placas 3M TM de Petrifilm TM com incubação de 24 e 48 horas, Figuras 23 e 24. Figura 23: Placas 3M TM de Petrifilm TM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes com incubação de 24 horas. Fonte: Acervo Eliezer Henker

51 51 Figura 24: Placas 3M TM de Petrifilm TM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes com incubação de 48 horas. Fonte: Acervo Eliezer Henker Na preparação dos experimentos em bancada, logo após a retirada das garrafas PET do freezer foi efetuado a lavagem da garrafa com água deionizada. Está água também foi submetida à análise para determinação do oxigênio consumido. Os parâmetros de oxigênio consumido empregando o Método Permanganato KMnO 4 demonstram índices baixíssimos de matéria orgânica presente na água de lavagem das garrafas PET e das amostras, Tabela 4, o que indica baixos índices de microrganismos presente na água coletada. Tabela 4: Oxigênio Consumido O.C. Data Água de lavagem (mg L -1 ) Amostra 1 (mg L -1 ) Amostra 2 (mg L -1 ) 13/01/2012 4,0 3,4 3,3 16/1/2012 3,4 3,9 8,7 17/1/2012 3,3 4,6 7,0 Na realização dos testes de ph, turbidez e condutividade foram analisadas as amostras de cada garrafa do experimento. As medições de ph estão dentro dos valores máximos permitidos pela portaria 518/2004 do Ministério da Saúde porém é identificado alguns casos de alcalinidade mais acentuada como mostra as Tabela 5 e 6 na data de 12/01/2012 onde o ph das amostras ficaram em 8,2.

52 52 Tabela 5: ph, Turbidez e Condutividade da garrafa 1 Turbidez Data ph (UT) Condutividade (µs cm - ¹) Dia 12/01/2012 (c/vento: 1,2 km/h) 8,20 0,85 42,20 Dia 11/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h) 7,80 0,56 20,49 Dia 13/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h) 6,80 0,39 12,50 Dia 16/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h) 7,58 0,38 55,50 Tabela 6: ph, Turbidez e Condutividade da garrafa 2 Turbidez Data ph (UT) Condutividade (µs cm - ¹) Dia 12/01/2012 (c/vento: 1,2 km/h) 8,20 0,74 57,50 Dia 11/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h) 7,90 0,67 19,41 Dia 13/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h) 7,19 0,40 15,85 Dia 16/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h) 7,58 0,84 24,50 A turbidez é um parâmetro que varia com a quantidade de sedimentos não dissolvidos suspensos na água. Neste caso quanto maior a quantidade de material particulado em suspensão maior será a Unidade de Turbidez - UT da amostra. Os experimentos demonstraram baixíssimos valores de UT nas amostras conforme Tabelas 5 e 6 estando de acordo com os valores máximos permitidos pela portaria 518/2004 do Ministério da Saúde. Os índices de condutividade da água servem para verificar a pureza, concentrações minerais e o teor de substâncias iônicas dissolvidas. Portanto, quanto menor a condutividade medida da água mais pura ela pode ser considerada. Nas amostras relacionadas nas Tabelas 5 e 6 os valores de condutividade podem ser considerados baixos, o que indica pouca concentração mineral e baixos teores de substâncias iônicas dissolvidas. 5.4 Resultados dos Ensaios com Células Termoelétricas de Efeito Peltier Estudos preliminares apontaram para o emprego de PWM - Pulse-Width Modulation (Modulação da largura de Pulso) para controlar a corrente elétrica nas pastilhas Peltier, Figura 25. O uso dessa tecnologia é empregado para variar a entrega de potência em determinada carga fazendo com que haja um controle de corrente elétrica ora ligada, ora desligada, provocando uma queda de tensão muito baixa no circuito.

53 53 Esse sistema permite controlar o fluxo de corrente através de um potenciômetro ou microcontrolador. Também é possível a redução do consumo energético tendo em vista o fornecimento de corrente elétrica ser através de pulsos e não continuamente. O módulo PWM deve permitir a circulação de corrente de 14 ampères com base no modelo de célula termoelétrica empregada. Entretanto a elaboração de um sistema PWM capaz de suportar a carga de 120Watt tornou-se um elemento especial de difícil construção para o protótipo; um temporizador de um a quinze segundos para controlar o ligamento e desligamento da célula foi utilizado no experimento. Figura 25: PWM para 1Ampère Fonte: Acervo Eliezer Henker O teste experimental empregando o protótipo permitiu testar o sistema com uma ou duas células termoelétricas. O objetivo do teste foi verificar a relação tensão/corrente, o consumo e possível formação de orvalho do sistema, Figura 26.

54 Vista em perspectiva Vista lateral 54 Figura 26: Pastilha Peltier configurações de montagem do protótipo. Fonte: Acervo Eliezer Henker Aplicou-se a tensão de um a oito volts na célula termoelétrica verificando assim a intensidade de corrente consumida pelo sistema. A configuração aplicada foi de duas pastilhas sobrepostas. Os intrumentos empregados foram uma fonte de tensão de corrente contínua modelo DC Instrutherm FA2030 com capacidade de 30 ampères a 24 volts, um multímetro digital modelo Minipa ET2037 e um anemômetro Instrutherm termo-higro-anemômetro luxímetro digital portátil Modelo THAL Com os dados coletados foi possível verificar a intensidade de corrente para cada volt de tensão fornecida ao sistema e calcular a potência elétrica consumida bem como o consumo em kwh como é demonstrado na Tabela 7. Nas medições realizadas do protótipo desconsiderou-se o consumo dos ventiladores de arrefecimento. Na ocasião a temperatura ambiente estava em 30 C. Tabela 7: Medições realizadas no protótipo com pastilhas sobrepostas. Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Consumo (kwh) 1 1,2 1,2 0, ,6 5,2 0, ,8 11,4 0, ,2 20,8 0, ,3 31,5 0, ,6 45,6 0, ,8 61,6 0, ,8 78,4 0,0784

55 55 O sistema testado não apresentou formação considerável de orvalho, somente uma superfície levemente úmida. A área de condensação neste caso era de 0,25m², a umidade relativa do ar era de 80%. Neste experimento não foi realizado medições de temperatura no lado frio da pastilha devido à reduzida condensação presenciada. A fim de verificar a temperatura da superfície fria da pastilha termoelétrica um sistema foi montado sobre a bancada com duas pastilhas sobrepostas. No lado quente foi fixado um dissipador de alumínio e dois ventiladores, Figura 27. Os ventiladores foram acionados por uma fonte de tensão de corrente contínua de 12 volts e 2 ampères; cada ventilador tem potência de 3watts. Dissipador Célula Peltier Superfície com condensação Ventilador Gotas de orvalho Figura 27: Sistema sobre bancada de pastilha termoelétrica sobreposta. Fonte: Acervo Eliezer Henker A Tabela 8 apresenta os dados coletados em relação à tensão, intensidade de corrente, potência elétrica, consumo em kwh e temperatura do lado frio da pastilha termoelétrica de dimensões 62x62 mm. Neste caso houve a formação de gelo e orvalho imediatamente após o sistema ser ligado. A temperatura mínima medida foi de -13 C. O experimento foi limitado a uma tensão de 8 volts devido à capacidade do termômetro em medir temperaturas inferiores a -15 C. O termômetro empregado foi o termômetro digital marca/modelo Minipa MT-360.

56 56 De acordo com as especificações técnicas da pastilha termoelétrica o gradiente de temperatura entre a face quente e fria é de 67 C para uma intensidade de corrente máxima de 14 ampères e uma tensão máxima de 15,4 volts. Nessas condições mantendo a temperatura do lado quente em 40 C teoricamente chegaríamos a uma temperatura de -27 C no lado frio da pastilha. O consumo energético total do sistema, empregando 8 volts e 10,4A é de cerca de 0,0892 kwh considerando os ventiladores de arrefecimento; a área de condensação é somente a área do lado frio da pastilha, cerca de 3,844 x 10-3 m 2. Tabela 8: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas 62x62 mm Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Consumo (kwh) Temperatura no lado frio ( C) 1 1,0 1,0 0, ,0 2 2,3 4,6 0, ,5 3 3,7 11,1 0,0111 5,0 4 5,2 20,8 0,0208 0,0 5 6,4 32,0 0,0320-5,0 6 7,9 47,4 0,0474-9,0 7 9,4 65,8 0,0658-9,0 8 10,4 83,2 0, ,0 Nos testes experimentais com pastilhas termoelétricas de dimensões menores, 40x40 mm, Figura 28, o consumo máximo do sistema foi de 35 x 10-3 kwh. Nestes testes com somente uma pastilha não foi necessário o emprego de ventilador para arrefecimento, o dissipador de alumínio foi suficiente para a temperatura do lado quente não ultrapassar a temperatura máxima de trabalho da pastilha. No lado frio houve formação de condensado aquoso.

57 57 Montagem simples uma pastilha Montagem sobreposta duas pastilha Figura 28: Sistema sobre bancada de pastilhas termoelétrica 40x40mm. Fonte: Acervo Eliezer Henker As Tabelas 9 e 10 demonstram os dados coletados nas duas configurações proposta nos experimentos. A pastilha 40x40 mm tem uma área de 1,6 x10-3 m 2. Para a montagem do sistema com pastilhas termoelétricas sobrepostas o consumo de energia foi de 81 x 10-3 kwh considerando um ventilador de 12 volts e 0,25 ampères para o arrefecimento. Neste experimento houve a formação de gelo e condensado aquoso no lado frio da pastilha. Tabela 9: Medições realizadas em bancada com pastilha 40x40 mm Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Consumo kwh 1 0,2 0,2 0, ,6 1,2 0, ,0 3,0 0, ,4 5,6 0, ,8 9,0 0, ,2 13,2 0, ,5 17,5 0, ,9 23,2 0, ,2 28,8 0, ,5 35,0 0,0350

58 58 Tabela 10: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas de 40x40 mm Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Consumo kwh 1 0,7 0,7 0, ,5 3,0 0, ,5 7,5 0, ,4 13,6 0, ,2 21,0 0, ,0 30,0 0, ,8 40,6 0, ,4 51,2 0, ,0 63,0 0, ,6 76,0 0, Construção de Sistema de Desumidificação para Geração de Água Potável com Uso de Célula Termoelétrica. O sistema projetado, ANEXO A, para geração de água potável com o emprego de células termoelétricas, apresentou um custo relativamente baixo em torno de R$1200,00 com a unidade de desinfecção. É possível construir um sistema simplificado sem a unidade de desinfecção ao custo de R$400,00. A concepção do sistema desumidificador com uso de célula termoelétrica procurou empregar materiais de baixo custo. Na sua construção empregaram-se materiais tais como: alumínio, aço, plásticos diversos, fios de cobre, placas de circuito eletrônicos, componentes eletrônicos e lâmpada. Um amplo estudo experimental de configurações empregando pastilhas Peltier foi realizado, bem como, definir as propriedades termodinâmicas que apresentaram resultados satisfatórios na obtenção de água. As pastilhas sobrepostas de 62x62 mm foram empregadas no equipamento. No equipamento foram inseridos dois ventiladores para obter uma ventilação satisfatória no lado frio da pastilha para a formação do condensado aquoso. O equipamento permite o acionamento individual dos ventiladores podendo assim variar a velocidade do vento na câmara de condensação. Através dos testes realizados é necessário acionar os dois ventiladores para obter uma maior formação de condensado aquoso, Figura 29.

59 59 Figura 29: Vistas com corte parcial do equipamento com célula termoelétrica. Fonte: Projeto Eliezer Henker No equipamento a área de condensação considerada foi a área da pastilha termoelétrica no lado frio, cerca de 3,844 x 10-3 m 2. A tensão destinada às pastilhas foi de 10 volts e a intensidade de corrente de 6,6 ampères. O equipamento fornece tensões de 10, 12 e 220 volts. Para a tensão de 12 volts, a potência total foi de 25 watts (ventiladores e lâmpadas indicadoras), quando acionado a bomba hidráulica há um acréscimo de 24 watts; para a tensão de 220 volts a potência total foi de 11 watts (lâmpada germicida e lâmpadas indicadoras). O Quadro 5 relaciona os dados coletados empregando o sistema de desumidificação com célula termoelétrica. Aparentemente os melhores resultados demonstram que o volume de água coletado pode chegar a 2,6 L m -2 h -1 com uma umidade relativa do ar de 80% e vento na faixa de 7 km h -1, porém, o consumo energético pode chega a 7,92 kwh para cada litro de condensado aquoso nessas condições.

60 60 Quadro 5: Dados relacionados empregando pastilha termoelétrica sobreposta de 62x62mm. Fonte: Elaborado por Eliezer Henker Coleta 1 Coleta 2 Coleta 3 Coleta 4 Coleta 5 Coleta 6 Dados Tempo de coleta (h) Volume total coletado (L) 0,020 0,041 0,008 0,010 0,032 0,050 Volume total coletado por Hora (L/h) 0, , , , , ,00417 Temperatura ambiente ( C) 25,0 30,7 27,3 31,7 28,9 29,3 Temperatura do ponto de orvalho ( C) 21,0 20,6 21,0 21,0 21,0 21,0 Umidade Relativa (%) 80,0 59,5 70,0 55,0 60,0 63,0 Potência Total (Watt) 79,2 66,7 66,7 66,7 66,7 66,7 Consumo (kwh) 0,0792 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 Velocidade do vento no condensador (km/h) Consumo energético teórico para formação de 1 litro de condensado aquoso (kwh) Produção teórica de condensado aquoso por hora em 1,0 m² de células peltier (L) 7,0 16,5 16,5 16,5 16,5 12,5 7,92 13,01 16,68 20,01 12,51 16,01 2,60 1,33 1,04 0,87 1,39 1,08 Observa se que o controle da temperatura do ponto de orvalho é um fator determinante para redução do consumo energético tendo em vista que durante os experimentos não houve esse controle e a célula esteve sempre com a temperatura do lado frio em torno de -13 C, bem abaixo da temperatura do ponto de orvalho que era de aproximadamente 21 C. Com umidades relativas em torno de 60% e temperatura ambiente de 29,9 C a produção em volume de água fica em torno de 1,39 L m -2 h -1 com um consumo energético de 12,51 kwh. 5.6 Construção de Sistema de Desumidificação para Obtenção de Água Potável com Uso de NH 3 e CaCl 2 - ICE MAKER O sistema, ICE MAKER, ANEXO C, proposto por Vanek, (1996) está em fase de testes na Estação de Tratamento de Resíduos - CETER no campus central da Universidade de Santa Cruz do Sul.. Detalhes específicos, referentes à sua construção, apresentam uma

61 61 logística diferenciada e preocupações adicionais devido ao perigo ocupacional de operação com NH 3. O conjunto composto por refletor parabolóide, cápsula geradora, serpentina condensadora e o tanque térmico estão finalizados. O sistema ICE MAKER emprega na sua construção aço e alumínio de maneira geral, também utiliza para funcionamento a NH 3 e CaCl 2. Para operação, o sistema ICE MAKER necessita somente de radiação solar durante o dia, entretanto para maximizar o rendimento de produção de água, um ventilador deverá ser inserido no sistema. Testes com o ângulo de inclinação do parabolóide são necessários para determinação do melhor aproveitamento da energia solar para aquecimento da cápsula geradora. Os raios solares aquecem o tubo gerador onde contém a amônia e o cloreto de cálcio; com a elevação da temperatura aumentará a pressão interna do tudo fazendo com que a amônia passe pela serpentina onde haverá troca de calor com o meio exterior arrefecendo o gás de amônia e condensando-o. Durante o dia a amônia líquida fica armazenada no reservatório localizado no tanque térmico. Com a chegada da noite o tubo gerador resfria e a amônia faz a passagem inversa no sistema. Este retorno se dá devido ao CaCl 2 ser um agente dessecante altamente absorvente e a pressão interna do sistema cair devido a diminuição de temperatura, com isso, a amônia retira calor do meio no tanque térmico fazendo com que a superfície das aletas fiquem resfriadas para formar gelo e condensação. Recipientes contendo água estão posicionados internamente no tanque térmico a fim de congelar e gerar condensado aquoso no período do dia. Medições pontuais verificaram 120 C na parede da cápsula geradora quando há alinhamento dos raios solares com o refletor parabolóide sobre a cápsula geradora. Ensaios verificando a abertura de válvulas do circuito estão sendo propostas para determinar o melhor funcionamento do sistema. O volume total da tubulação do sistema é de 2,26 x 10-2 m 3 ; a massa presente de NH 3 é de 4,5 Kg e a massa de CaCl 2 é de 3 kg. O cloreto de cálcio, por ser um sal, apresenta propriedade corrosiva para o sistema, o que demandará manutenções periódicas. Uma cápsula elaborada por tela de nylon servirá de suporte para o sal a fim de minimizar o contato com a superfície interna da tubulação de aço. O sistema de desumidificação ICE MAKER tem um custo aproximado de R$ 9.000,00 e demandará de manutenções periódicas envolvendo pintura e conservação das conexões bem como a eliminação de eventuais vazamentos. O sistema poderá sofrer modificações para que o

62 62 ciclo noite seja induzido até três vezes durante o dia para que a quantidade de condensado aquoso seja maior.

63 63 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES A região analisada pela pesquisa climatológica apresenta bons índices de umidade relativa do ar. Nos períodos noturnos e o início da manhã são mais propícios para obtenção de água, tendo em vista, que a temperatura ambiente decresce e há uma elevação da umidade relativa do ar. Se comparado o local da pesquisa com regiões semiáridas e áridas, as estratégias de obtenção de água, através de sistemas não convencionais, como é o caso do emprego da célula termoelétrica, têm certa vantagem de operacionalização em nossa região. A concepção do sistema desumidificador com uso de célula termoelétrica procurou empregar materiais de baixo custo e facilmente aceitos no mercado de recicláveis. A sua construção emprega materiais como: alumínio, aço, plásticos diversos, cobre, placas de circuito eletrônicos, componentes eletrônicos e lâmpada. Os custos do projeto empregando pastilhas Peltier ficaram em torno de R$1.200,00 com a unidade de desinfecção. É possível construir um sistema simplificado sem a unidade de desinfecção ao custo de R$ 400,00. A pastilha termoelétrica tem uma vida útil longa, testes de qualidade de alguns fornecedores indicam mais de 1000 horas de trabalho sem interrupção e 5000 ciclos de ligamento e desligamento, segundo eles as pastilhas podem durar cerca de a horas se observado os requisitos técnicos necessários. A unidade de desinfecção presente no sistema pode ser empregada separadamente para submeter amostras de água à radiação UV. Para isso, basta verter água no módulo de condensação e retirá-la através da bomba hidráulica com a lâmpada ligada. Empregando-se células termoelétricas de efeito Peltier é possível obter água potável a partir de superfícies refrigeradas. A produção de água com umidade relativa de 80% pode ser de até 2,6 L m -2 h -1 e o consumo energético fica em torno de 7,92 kwh para cada litro de água coletada. Considerando que no período da noite e o início da manhã as temperaturas são mais amenas e a umidade relativa do ar é mais elevada é previsível um funcionamento eficiente de aproximadamente 15 horas por dia do equipamento. A célula termoelétrica demonstra sua eficiência em sistemas compactos de obtenção de água. O sistema desenvolvido pode ser empregado onde há necessidade de formação de condensado aquoso em pequenas quantidades. A facilidade do manuseio e operação do sistema inova o ambiente experimental permitindo o estudo de superfícies refrigeradas para obtenção de água potável e também o

64 64 estudo dos fenômenos da refrigeração e climatização em pequenos ambientes educacionais. O equipamento tem massa total de 5 kg. O sistema permite a incorporação de sensores e controladores eletrônicos que podem aumentar o controle dos parâmetros de funcionamentos. A incorporação de um controlador PWM pode trazer uma nova perspectiva na redução do consumo energético do sistema. Esta tecnologia pode contribuir para o desenvolvimento sustentável do planeta incorporando fontes de energias renováveis na sua operação. Estudos em semi-condutores estão evoluindo e o uso de células termoelétricas já está amplamente difundido pela industria de bens de consumo para obtenção de superfícies frias. No sistema ICE MAKER se faz necessário determinar adequadamente as variáveis de funcionamento. O sistema está instalado na Central de Tratamento de Resíduos CETER no campus universitário central da UNISC e permitirá o desenvolvimento de experimentos que indiquem a situação adequada de funcionamento, a quantidade de condensado aquoso produzida durante o ciclo dia/noite e a qualidade da água coletada. Ambos os sistemas necessitam de células solares fotovoltaicas ou energia elétrica tradicional para funcionamento pleno. Não foram estimados os custos de incorporação de células fotovoltaicas para os sistemas. No caso do ICE MAKER a energia elétrica servirá para movimentar os ventiladores que intensificam a formação de condensado na superfície fria das aletas do tanque térmico. De acordo com os testes parciais de potabilidade a água coletada apresenta resultados favoráveis para o consumo humano. A fim de melhorar e garantir estes níveis, um sistema de filtração pode ser acrescentado. No estado do Rio Grande do Sul os níveis de precipitação pluviométrica são satisfatórios e períodos de seca sempre ocorreram. O que não há é a gestão adequada dos recursos hídricos e investimento em infra-estrutura que garantem o abastecimento de água em períodos de seca. Em casos extremos tais como catástrofes naturais, acidentes, locais de difícil acesso e regiões áridas e semiáridas a coleta de água através da condensação em superfícies frias pode ser uma ótima alternativa para obtenção de água potável.

65 Sugestões para Continuidade do Trabalho. Aplicação de PWM no sistema que emprega pastilhas termoelétricas para controle do consumo energético; Controlar e monitorar a temperatura do ponto de orvalho na face fria da pastilha termoelétrica através de microcontrolador; Análise completa da potabilidade da água nos sistemas propostos Peltier e ICE MAKER empregando filtros e UV; Analisar a inclinação adequada do refletor parabolóide do ICE MAKER; Automatizar a inclinação do refletor parabolóide conforme a posição solar propondo mais de um ciclo durante o dia. Emprego de painéis fotovoltaicos nos sistemas desumidificadores propostos;

66 66 7 REFERÊNCIAS APHA/AWWA AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21. ed. Washington: APHA/AWWA/WEF, BEYSENS D., MILIMOUK I., NIKOLAYEV V., MUSELLI M. and MARCILLAT J., Using radiative cooling to condense atmospheric vapor: a study to improve water yield, J. Hydrology, 276 (2003) 1 11 BOHRER, M. B. Biomonitoramento das lagoas de tratamento terciário do sistema de tratamento dos efluentes líquidos industriais (SITEL) do pólo petroquímico do sul, Triunfo, RS, através da comunidade zooplanctônica. 469p. il. Tese (Doutorado em Ciências). UFSCar, São Paulo CABRAL, B. Direito Administrativo: Legislação Estadual de Recursos Hídricos. Brasília - Senado Federal,1997. CERECEDA, P., Schemenauer R. S. and Suit M. (1992) Water Resources Development 8(1), 53±59. CHAVEZ, J. A., ORTEGA, J. A., SALAZAR, J., TWB, A. AND GARCIA M. J. (2000) SPICE Model of Thermoelectric Elements Including Thermal Effects. Sensor Systems Group, Departament & Enginyeria Electronica Universitat Politkcnica de Catalunya, C/ Jordi Girona, 1 i 3, Módulo C p COIMBRA, Roberto; ROCHA, Ciro Loureiro; BEEKMAN, Gertian Berndt. Recursos Hídricos: conceitos, desafios e capacitação. Brasília, DF: ANEEL, CONSELHO REGIONAL DE DESENVOLVIMENTO DO VALE DO RIO PARDO. Plano estratégico de desenvolvimento do Vale do Rio Pardo. Edunisc, Santa Cruz do Sul, DALTRO, F., SOUZA MATOS, J. Reúso De Águas, Uma Alternativa Sustentável Para A Economia De Água No Meio Urbano: Um Estudo De Caso Em Aracaju-Se,. Anais do 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Joinville, SILVA, G. da; SOUSA, F. A. S. de. Estudo da viabilidade da produção de água a partir do resfriamento do ar. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v.13, n.5, p , DESIDERI, U., PROIETTI, S., SDRINGOLA, P. Solar-powered cooling systems: Technical and economic analysis on industrial refrigeration and air-conditioning applications, Applied Energy 86 (2009) ELSARRAG, Esam; HORR, Yousef Al. Experimental investigations on water recovery from the atmosphere in arid humid regions. CIBSE Technical Symposium, DeMontfort University, Leicestern UK 6th and 7th September 2011

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69 ANEXO A Projeto do sistema empregando pastilha termoelétrica de efeito Peltier. 69