Eficiência Térmica de Coletor Solar de Baixo Custo

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Eficiência Térmica de Coletor Solar de Baixo Custo RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO Apresentado na disciplina de Medições Térmicas ENG03108 Núbia Coimbra Carine Azambuja Thiago Dalmas Luciano Coelho Porto Alegre, junho de 2008.

2 2 RESUMO O presente trabalho apresenta a caracterização de um coletor solar de baixo custo, confeccionado com garrafas pet e caixas de leite tetrapak, através da medição de sua eficiência térmica. Para isso, fez-se a medida do ganho de temperatura do fluido após passar pelo coletor. Montando-se uma bancada de testes, e utilizando-se para medição de temperatura do fluido, dois PT100, um na entrada do coletor e outra na saída, conectados a um computador, possibilitando monitorar e adquirir dados automaticamente para o cálculo da eficiência do coletor solar em questão, sob ação de radiação artificial controlada em laboratório, estimada em 800 W/m 2. Obtém-se resultado pouco satisfatório, com eficiência média do sistema de 11%. Palavras-chave: Coletor solar, Baixo custo, Temperatura e Eficiência.

3 3 1. INTRODUÇÃO Com avanço da crise de energia no Brasil, o aquecimento global e a preocupação mundial em reduzir as emissões de CO 2, existem estudos para o desenvolvimento de tecnologias limpas e de baixo custo, associada à idéia de redução de resíduos com a reutilização e reciclagens de embalagens, entre outros materiais. Da constante preocupação também com o meio ambiente surge à idéia da construção de meios para obtenção de energia limpa e renovável. O aproveitamento de energia solar é uma das formas mais simples e abundantes de obtenção de energia limpa. A energia solar em aquecedores, já vem sendo usada no Brasil desde a década de 60, época em que surgiram as primeiras pesquisas na área de tecnologias solares (ANEEL, 2006). Atualmente existem cerca de 600 mil coletor solares instalados no Brasil para aquecer a água do banho. Num país que ainda sofre ameaça de apagão, 7% de toda energia produzida tem como destino o chuveiro elétrico. Isso equivale ao consumo de energia do estado do Rio Grande do Sul. Nas comunidades de baixa renda, o uso regular do chuveiro elétrico corresponde a 30% do total do custo com energia elétrica. Com custo inicial alto, a instalação de aquecedores de água solar passa a ser inviável a população de baixa renda, partindo desta premiça José Alcino, morador da cidade de Tubarão-SC, desenvolveu a partir de garrafas pet, caixas tetrapak, bandejas de isopor, sacolas plásticas, etc., um aquecedor solar alternativo de baixo custo, visando atender as necessidades desta população, quanto ao aquecimento de água para o banho e reutilização de materiais recicláveis. O projeto completo do aquecedor solar e a descrição de como executá-lo encontra-se no site: Neste trabalho, é feito um estudo do comportamento deste coletor solar de baixo custo feito a partir de garrafas pet, entre outros materiais reutilizáveis, objetivando a identificação de suas características técnicas. Isto se dá através da medição da eficiência térmica do coletor, evidenciando assim a sua credibilidade e possibilidade de instalação em residências.

4 4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Umas das primeiras manifestações do uso da energia solar aconteceu por intermédio de Amenkhotep ( a.c.) que conseguiu criar sons produzidos por aquecimento solar. Arquimedes ( a.c.), também estudou a energia solar através da utilização de espelhos para a sua concentração e conseqüente aumento de temperatura. No ano de 1774, Joseph Priestley expôs óxido de mercúrio a raios concentrados do Sol e notou que o gás formado possuía um brilho maior que até então se observava, princípio que veio a ser utilizado nas lâmpadas fluorescentes. Na exposição de Paris, de 1878, um experimento direcionava a luz solar para uma caldeira de vapor que fazia funcionar um pequeno motor. Em 1885, também na França, E. Weston mostrou a conversão da energia solar em elétrica através de termopares. No período de 1930 a 1940 foram desenvolvidos vários processos de uso da energia solares, entre eles se destacam: aquecedores solares no Japão e EUA, calefação na Alemanha, e foi construída a primeira casa solar nos EUA. E de 1945 a 1965, começou a haver interesse na energia solar como fonte de energia para satélites, a produção de vapor e eletricidade na França e na Itália, e iniciam-se as publicações periódicas a respeito deste assunto. No inicio da década de 90, Duffie e Beckman, desenvolveram um algoritmo denominado Carta F, muito prático, baseado em diversas simulações voltadas ao dimensionamento de sistemas solares térmicos, a partir de curvas de eficiência instantânea de coletores solares. A boa utilização da energia solar exige o estudo do Sol como fonte geradora de energia, como esta energia é distribuída no espaço e principalmente sobre a Terra, e quais as formas mais convenientes para o seu aproveitamento. O ângulo de inclinação a ser montado o aquecedor solar e um dos principais quesitos a ser estudado para que seja feito o melhor aproveitamento da incidência solar. A radiação solar a que a terra esta submetida e constituída pelas componentes direta e difusa. A componente direta e aquela proveniente do sol sem sofrer espalhamento durante sua trajetória devido à composição da atmosfera. A componente difusa pode ser considerada como a radiação espalhada que vem de todas as partes do céu. A soma de ambas constitui a radiação solar global ou total. A transformação de energia solar em calor recebe o nome de processos heliotermicos que pode se dividir em aquecimento de líquidos, aquecimentos de processos, aquecimento de ambientes, geração de potencia, entre outros.

5 5 Os sistemas de aquecimento de água por energia solar podem também ser divididos, de acordo com seu princípio de funcionamento, em sistemas ativos e passivos. Ambos os sistemas utilizam um fluido de trabalho que é aquecido pelo calor obtido da absorção da radiação solar no coletor e armazenado num reservatório. Neste trabalho iremos utilizar o sistema passivo conhecido também como sistemas com circulação natural ou ainda por termossifão. Esse sistema tem como maior característica à de não utilizar uma bomba para fazer circulação do fluído de trabalho. A circulação se dá quando o Sol passa a aquecer o fluído no coletor, tornando-o menos denso que o fluído no fundo do reservatório, criando assim uma circulação convectiva do fundo do reservatório para a entrada do coletor, este sistema é o mais barato e, portanto o mais corriqueiramente utilizado, necessita manter uma diferença de altura entre o reservatório e o coletor para evitar o refluxo, normalmente esta altura é de cerca de 50 a 60 cm. Os coletores devem ser apropriadamente instalados apontando para o norte (no hemisfério sul) e inclinados em relação à horizontal, que deve ser otimizado para que se tenha a maior quantidade possível de energia coletada na época desejada. Como regra geral, utiliza-se uma inclinação igual à latitude do local para coletar a máxima quantidade anual de energia. Para se ter à máxima quantidade de energia coletada no verão, a inclinação pode ser aproximadamente de 10º a 15º menor que a latitude do local e, para o inverno, de 10º a 15º maior que a latitude. Nos sistemas de aquecimento de água para uso doméstico, nos quais a carga de consumo é aproximadamente a mesma para todo o ano, o ângulo ótimo está compreendido num intervalo de mais 15º a partir da latitude do local. Para o projeto de um sistema de aquecimento de água por meio de energia solar é necessário o conhecimento da radiação solar (W/m²), incidente no plano horizontal ao coletor, temperatura ambiente média, temperatura da água de alimentação, curva de eficiência do coletor, capacidade e coeficiente de perdas térmicas do reservatório de armazenamento de água.

6 6 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O objetivo deste trabalho é fazer medidas de temperatura na entrada e saída do coletor, para cálculo de eficiência térmica do mesmo, comprovando a credibilidade do experimento citado, proporcionando assim o desenvolvimento de novas alternativas aos coletores solares térmicos de baixo custo já existentes. A construção deste coletor se baseia no uso de garrafas pet e materiais recicláveis, e sua experimentação é feita a partir de uma bancada de testes onde podem ser realizados experimentos para determinação de sua eficiência térmica. 3.1 O COLETOR O coletor solar diferencia-se dos demais, no que tange aos materiais utilizados na sua construção e rendimento térmico. Com intuito de baixar custos, utilizou-se nas colunas de absorção térmica, tubos e conexões de PVC, pintados de preto fosco, menos eficiente do que os tubos de cobre ou alumínio aplicados nos coletores convencionais. As garrafas pet e as caixas tetrapak substituem a caixa metálica, o painel de absorção térmica e o vidro utilizado nos coletores convencionais. O calor absorvido pelas caixas tetrapak, pintadas em preto fosco, é retido no interior das garrafas e transferido para a água através das colunas de PVC, também pintadas em preto, protegendo assim também contra raios ultravioletas. A caixa metálica com vidro ou as garrafas pet tem como função proteger o interior do coletor das interferências externas, principalmente dos ventos e oscilações da temperatura, dando origem a um ambiente próprio. Figura 1 Coletor Solar.

7 7 3.2 A BANCADA Foi escolhido o sistema passivo de aquecimento de água, conhecido também como sistemas com circulação natural ou ainda por termossifão. Para tal montagem, utilizou-se um reservatório instalado em série com uma placa do coletor solar, o reservatório é feito de fibrocimento (sem amianto) sem isolamento, possuindo a capacidade de 50 litros, estes formam um sistema fechado de circulação. A ligação reservatório é feita através de mangueiras flexíveis, facilitando a montagem em curvas. A radiação recebida pelo coletor é proveniente de um conjunto de 8 lâmpadas dispostas transversalmente ao coletor cada uma com potencia de 100W, totalizando uma radiação incidente no coletor de 800W. Figura 2 Bancada de testes. 3.3 INSTRUMENTAÇÃO Para medição da eficiência do coletor solar a bancada foi instrumentada com sensores de temperatura. Não foi necessário instalar um anemômetro devido a pouca influência do vento na eficiência de coletores sem cobertura, por terem sido feito testes em laboratório com condições controladas.

8 Aquisição de dados Optou-se por realizar aquisição de dados por computador, com a utilização do programa Agilent Bench Link Data Logger ligado a dois PT100, um na entrada de água do coletor e outro na saída. O software utilizado para aquisição e geração dos arquivos de dados permite também a visualização dos gráficos de temperatura de entrada e saída do coletor. Médias aritméticas dos valores adquiridos são gravados a cada 30 segundos em arquivos de texto e são tratados posteriormente Medição das temperaturas As medições da temperatura internas e externas ao laboratório são adquiridas através de medidores de temperatura já posicionados no laboratório. As temperaturas de entrada e saída do coletor solar são medidas continuamente através de PT100 da marca Novus com incerteza de medição de 0,2 ºC, acoplados em uniões tipo T e posicionados respectivamente na entrada e saída do coletor. No reservatório é utilizado para leitura de temperatura um termômetro de mercúrio da marca Incoterm, com incerteza de medição de 0,1 ºC Medição da vazão As medidas de vazão foram feitas através do deslocamento de massa, ou seja, uma quantidade de líquido pigmentado, foi injetado na mangueira de saída do reservatório através de uma borboleta, medindo-se assim o tempo de deslocamento desta quantidade em uma distância conhecida, com o conhecimento do diâmetro da tubulação e a distância percorrida, calculamos a vazão volumétrica do sistema. Esta medida só foi possível, pois a mangueira de saída do reservatório era transparente possibilitando a visualização do escoamento. 3.4 PROCEDIMENTO DO ENSAIO Os primeiros ensaios foram feitos para verificar se existiam vazamentos e se o sistema ganharia temperatura no sistema com a válvula do reservatório fechada, o nível do reservatório permanecia abaixo do cano de chegada de água do coletor, impossibilitando assim a troca entre a água que estava no reservatório e a água que ocupava o coletor. Durante 40 minutos foi exposto o coletor a radiação de 800 W/m 2, com a válvula do reservatório fechada, neste período o ganho em

9 9 temperatura foi de aproximadamente 10 ºC, onde a temperatura do reservatório permanecia a 18 ºC, temperatura de entrada (Te) era de 22,08 ºC e temperatura de saída (Ts) era ºC. No próximo passo foram feitas medidas com a válvula aberta do reservatório e o nível do mesmo foi completado para que o duto de saída de água do coletor estivesse submerso. Foram feitas medidas da temperatura de entrada e saída do coletor através dos PT100 a cada 30 segundos e registradas através do programa de aquisição de dados, paralelamente foram coletados a cada 5 minutos os mesmos dados gerando uma planilha MSExcel, a cada 30 minutos foram coletados os valores de temperatura externa e interna do laboratório e a temperatura do reservatório, estes dados complementam a planilha anterior. As medidas de vazão foram feitas primeiramente com intervalos de 5 minutos, passando em seguida a intervalos de 30 minutos, com estes valores foi calculado uma média da vazão do sistema.

10 1 4. RESULTADOS E ANÁLISES As medidas de vazão estão representadas na figura 1 através do tempo de deslocamento do fluido em segundos t (s) Tempo de Deslocamento 14:30 14:35 14:40 14:45 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:20 Figura 1 Tempo de deslocamento O cálculo da vazão do sistema foi calculado através da área da seção da mangueira, usando as fórmulas 1 e 2: A 2 ( P Dext 2E) 2 = = 269mm (1) 4 ( A L) 3 = = 5342 mm s (2) Q / t Onde: - D ext (diâmetro externo da mangueira) = 22,5 mm; - E (espessura da mangueira) = 2 mm; - L (comprimento da mangueira) = 250 mm. - t (tempo de deslocamento do fluido) = 12.57s - A (área da seção) - Q (vazão volumétrica) A planilha de coleta de dados feita com intervalos de 5 minutos gerou dois gráficos o primeiro com os perfis de temperatura de entrada e saída pelo tempo, e o segundo gráfico com os perfis de temperatura da água no reservatório e a temperatura do ambiente (laboratório) pelo tempo.

11 1 Temperatura de Entrada (Te) e Saída (Ts) do Coletor Temperatura [ C] Tempo 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 03:00:00 03:30:00 04:00:00 04:30:00 05:00:00 05:30:00 Figura 2 Te e Ts variando com o tempo. Temperatura do fluido na caixa d'água (Tf) e Temperatura ambiente (Ta) Te[ C ] Ts[ C] Temperatura [ C] Tf[ C] Ta[ C] 20 Tempo 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 03:00:00 03:30:00 04:00:00 04:30:00 05:00:00 05:30:00 Figura 3 Tf e Ta variando com o tempo. A partir da análise dos dados obtidos passou-se ao cálculo da taxa de transferência de calor (Qi) cedida pelas lâmpadas, representada pela fórmula 3, e a taxa de transferência de calor (Qu) adquirida pelo coletor, representada pela fórmula 4:

12 1 Q i = I A= 920 W (3) Q = m c ( T T ) = 109, W (4) u s e 2 Onde: - I (intensidade da radiação solar) = 800 W/m² - A (área do absorvedor) = 1,15m² - m (vazão mássica do fluido) = 5,34E-03 kg/s - c (calor específico do fluido) = 4179 J/kg. C - Ts (temperatura do fluido na saída do coletor) = 28,05 C - Te (temperatura do fluido na entrada do coletor) = 23,16 C De posse dos valores das taxas de transferência de calor Qi e Qu, calculou-se a eficiência do sistema a partir de fórmula 5: Qu η = = 11,875 % (5) Qi

13 1 5. CONCLUSÕES Através da análise do cálculo da eficiência da bancada construída, observou-se que o desempenho da mesma é insatisfatório. As medidas de temperatura foram feitas num tempo aproximado de 7 horas de teste, tempo que não foi suficiente para elevar a temperatura da água do reservatório a um valor aceitável, como citado no trabalho de José Alcino, criador do coletor. A perda de calor através das mangueiras, que não possuíam isolamento, favoreceu muito para baixa eficiência do coletor. O reservatório também colaborou para a perda de calor para o ambiente, pois o mesmo não possuía tampa, nem isolamento adequado para manter a temperatura dentro do reservatório. A potência dissipada sobre o aquecedor foi de forma concentrada em uma linha transversal ao deslocamento do fluido no coletor, uma distribuição da radiação sobre toda a área do coletor colaboraria para um aquecimento mais uniforme do mesmo. A cada minuto de exposição à radiação de 800W, proporcionava um ganho de temperatura de aproximadamente 0,01ºC, sendo a variação de temperatura entre a entrada e saída do coletor de 5ºC em média. O ganho na temperatura da água no reservatório deveria ser maior, mas foi prejudicado pelo tempo limitado de exposição à radiação e a falta de isolamento do reservatório. Futuramente seria necessário realizar um estudo mais aprofundado da influência da vazão na eficiência deste coletor solar. Também seria necessário realizar mais testes com tempo de exposição do coletor bem superior ao utilizado neste trabalho, simulando um dia inteiro de radiação solar, o isolamento adequado das mangueiras e do reservatório, seriam indispensáveis para maior concentração de calor e evitando assim possíveis perdas.

14 1 6. REFERÊNCIAS ANEEL - Agência nacional de energia elétrica. Site: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10184: Coletores solares planos para líquidos Determinação do rendimento térmico. 25p, ABRAVA(Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento) Manual Técnico Básico de Aquecimento Solar. CAMPANI, D. C. Apostila da Disciplina ENG362 - Energia para o Meio Rural. PALZ, W. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus Editora, p. RAU, HANS Energia Solar Aplicaciones prácticas. Barcelona: Marcombo Boixareu Editores, p.