DIMENSIONAMENTO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA FEITO COM GARRAFAS PET

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1 DIMENSIONAMENTO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA FEITO COM GARRAFAS PET PEDRO HENRIQUE FONSECA BERTOLETI Centro de Energias Renováveis UNESP, Campus Guaratinguetá TEÓFILO MIGUEL DE SOUZA Centro de Energias Renováveis UNESP, Campus Guaratinguetá Este trabalho apresenta o aquecedor solar de água feito com garrafas PET, de simples construção, que busca dar duas grandes soluções, como o aquecimento de água utilizando a energia solar e reutilização das garrafas PET jogadas no ambiente. Além disso, será mostrado como dimensioná-lo. A partir dos cálculos de dimensionamento foi montada uma aplicação / software e, em seguida, foram feitas simulações para prever o quanto de economia este tipo de aquecedor solar de água fornece e qual sua contribuição ao meio ambiente com a reutilização de garrafas PET jogadas no ambiente.em uma residência, por exemplo, a economia pode ser de 45% na conta de energia elétrica considerando apenas a utilização da água aquecida para banho. Logo, vê-se que o aquecedor solar de água feito com garrafas PET é um equipamento muito relevante na utilização da energia solar para trabalho útil e contribuição ao meio-ambiente. This document show the solar water heater made of PET bottles, a simple-construction solar water heater that try to give us two important solutions, water heating using solar energy and reutilization of the PET bottles left in the nature. Also, it will be showed how to do the dimensioning of it. Based on the showed dimensioning a application / software is developed and after that simulations are made using the application to provide how is the economy if it s used this kind of solar water heater and their environmental contribution by reutilization of the PET bottles abandoned in the nature. For example, in a common home the economy is about 45% of the electricity bill considering that the warmed water is used just to take a shower. So, the conclusion is: the solar water heater made by PET bottles is a very relevant equipment to the use of the solar energy, to useful applications and environmental contribution. Introdução Com a crescente necessidade de energia elétrica, meios que contribuam para a maior racionalização da energia elétrica consumida são muito relevantes. Além disso, as garrafas PET jogadas no meio ambiente já são um desafio, pois o tempo de decomposição e danos ambientais que causam são bem grandes. Com base nestes dois grandes problemas foi criado o aquecedor solar de água feito com garrafas PET, que visa utilizar a energia solar para trabalho útil e contribuir para a reutilização das garrafas PET. Este trabalho define melhor estes aquecedores, mostra como dimensioná-lo de forma rápida e simples e faz simulações da economia de energia elétrica que se consegue com o uso deste tipo de aquecedor.

2 Aquecedor solar de água feito com garrafas PET: vista geral O aquecedor solar de água feito com garrafas do tipo PET tem o aspecto mostrado na Fig. 1. Este aquecedor pertence ao Centro de Energias Renováveis UNESP, Campus Guaratinguetá Figura 1 aquecedor solar de água feito de garrafas PET do Centro de Energias Renováveis, UNESP, Guaratinguetá. Os materiais utilizados são as garrafas do tipo PET, canos do tipo PVC, reservatório (boiler) da capacidade que se desejar, pasta de silicone para isolar termicamente o fundo e a boca da garrafa e conexões para os canos PVC. Os canos de PVC são ligados ao reservatório, de modo que tenha água em seu interior todo o tempo. Um esquema mais genérico de como será o este aquecedor está na Fig 2. Apesar de estar apresentado o esquema de um aquecedor solar de água utilizando coletores convencionais, basta substituir os coletores normais pelas garrafas PET, conforme a Fig. 1, para se ter um esquema geral do aquecedor solar de água feito com garrafas PET. Figura 2 Esquema geral de um aquecedor solar de água. Fonte: GREEN, M. A. et al. Solar celi efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Sydney, v. 8, p , 2000 (Adaptado). Para a maximização do aquecimento recomenda-se pintar a parte externa dos canos de PVC que passam dentro das garrafas PET de tinta preta fosca. Funcionamento O funcionamento deste tipo de aquecedor de água baseia-se no efeito estufa. Ao incidir sobre as garrafas PET, os raios solares e o ambiente interno das garrafas aquecem o cano de PVC

3 Na reflexão, uma considerável parcela de infravermelho fica retido no interior da garrafa, de modo que o interior da garrafa PET funcione como um armazenador temporário de calor, deixando o interior da garrafa PET aquecido, mostrado pela Fig. 3, calor este transmitido aos canos PVC e conseqüentemente para a água em seu interior, criando uma corrente de convecção. Assim, a água aquecida, mais leve, circula de modo a subir para o reservatório, enquanto a água mais fria desce para a parte inferior, sendo posteriormente aquecida. Figura 3 em (a) os raios solares incidem sobre as garrafas PET e (b) mostra a retenção da parcela de infravermelho dentro da garrafa, fazendo-a armazenar calor temporariamente. Porque utilizar este aquecedor? Os motivos para se utilizar este aquecedor são freqüentemente ligados a razões ambientais e econômicas, porém além destas há outros motivos indiretos. Estes motivos são: Quando utilizada para lavagem de roupas, a água aquecida apresenta maior eficiência na limpeza, poupando assim uma porcentagem do uso de sabões e derivados. Quando utilizada para lavagem de louças, a água aquecida apresenta maior eficiência da limpeza poupando assim uma porcentagem do uso de sabões, detergentes e derivados. Quando utilizada para aplicações gerais de aquecimento como para cozimento, por exemplo, apresenta uma economia de cerca de 1% para cada 5ºC da temperatura da água acima da temperatura ambiente (Incropere, 1998). Logo, o aquecedor solar de água feito com garrafas PET possui inúmeros benefícios indiretos, como a retirada de garrafas PET do ambiente, diminuição do lançamento de detergente e sabões ao ambiente conseqüentemente a diminuição das garrafas de detergentes lançadas ao ambiente, o que classifica este tipo de aquecedor como um equipamento versátil. Dimensionamento: consumo diário de água Para dimensionar este tipo de aquecedor solar de água é necessário primeiramente saber o consumo diário de água do que deve ser alimentado pela água aquecida. Os consumos diários de água mais comuns são apresentados na Tabela 1.

4 Tabela 1 Consumos diários de água mais comuns Local Consumo (l/dia) Por Banheiro 50 usuário Banheira convencional 50 usuário Hidromassagem 200 usuário Cozinha 50 usuário Lavadora de pratos 150 dia Lavanderia 200 usuário Alojamento de obra 24 pessoa Casa popular 36 morador Casa rural 36 morador Residencial 45 morador Apartamento 60 morador Escola 45 pessoa Quartel 45 pessoa Hotel 36 hóspede Hospital 125 leito Restaurante 12 refeição O consumo diário total, em litros, é dado pela somatória dos consumos diários de cada local a ser abastecido por água aquecida, conforme mostra a Eq. (1). Cd = n i= 1 Cli (1) Onde: Cd: Consumo total diário (l/dia). Cli: Consumo de cada local que será abastecido por água aquecida (litros por dia). n: número total de locais que serão abastecidos por água aquecida Dimensionamento: cálculo da energia necessária para o aquecimento Para efetuar o cálculo da energia necessária para aquecer a quantidade de água definida no consumo diário, primeiramente é preciso saber a variação de temperatura. Para isto utiliza-se a Eq. (2). T = Tf Ti (2) Onde: Tf: Temperatura desejada da água após o aquecimento (ºC). Ti: Temperatura inicial da água / temperatura antes do aquecimento (ºC). ΔT: Diferença entre a temperatura final e a temperatura inicial (ºC). Adota-se que o termo Ti corresponda à temperatura ambiente do local de instalação do aquecedor. Vale mencionar que, para fornecer 12 litros de água aquecida acima de 40ºC por dia, são necessários no mínimo 2 metros de cano PVC dentro de 6 garrafas PETs. Como a relação de volume de água aquecida por comprimento de cano é diretamente proporcional, pode-se fazer uma simples proporção para se obter o comprimento de cano PVC necessário para aquecer acima de 40ºC um volume desejado de água. Deve-se considerar também que em todo e qualquer dimensionamento, se utilizado um reservatório (boiler) de qualidade, a temperatura da água cai cerca de 10ºC em 12 horas.

5 Para o cálculo da energia total necessária para aquecer a água destinada ao consumo diário utiliza-se a Eq. (3). q = m. c. T (3) Onde: q: energia necessária para o aquecimento da água (cal). m: massa total de água a ser aquecida (g). É permitida a consideração de que a densidade da água é 1 g/ ml, logo o fator m corresponde ao fator Cd. c: calor específico da água (cal.ºc -1 ). O valor adotado para a água é 1 cal.ºc -1. Dimensionamento: densidade média do fluxo energético Cada região do país possui uma chamada densidade média do fluxo energético, que depende predominantemente do ângulo de incidência da luz solar na região. A Fig. 4 como se comporta este valor para cada região do país Figura 4 densidade média de fluxo energético no Brasil e sua variabilidade mensal, extraídas do Atlas da irradiação solar do Brasil publicado em A partir dos dados da Fig. 3, deve ser escolhido um valor de densidade média de fluxo energético (I gráfico), dado em W/m². Para adaptação com os cálculos à seguir, utilize a Eq. (4). I = I gráfico.859,8452 (4) Onde: I gráfico: densidade média do fluxo energético obtido na Fig 4 (Wh.m -2 ) O uso da Eq. (4) se faz necessário devido ao fato do valor dado na Fig. 4 ser expresso na unidade Wh.m -2, enquanto nos cálculos são utilizados valores em cal.m -2. Dimensionamento: cálculo do número necessário de garrafas PET Primeiramente, deve-se realizar o cálculo da área total de garrafas PETs necessária para aquecer a quantidade de água desejada é dada pela Eq. (5). S 2q = (5) I Onde: S: área total do aquecedor solar de água feito com garrafas PET (m²)

6 Finalmente, para a determinação do número de garrafas PET necessário para a construção do aquecedor solar de água com garrafa PET utiliza-se a Eq. (6). N Cd ,2 =.6. (6) 12 I Onde: N: número de garrafas PET necessário para se construir o aquecedor solar de água (adimensional). N tem este formato pois a uma fileira com 6 garrafas PETs consegue aquecer (acima de 40ºC) 12 litros de água por dia. A razão ,2 / I é um fator que corrige o número de garrafas PET conforme a densidade média do fluxo energético na região, tomando-se como referência o valor da densidade média de fluxo energético da região norte. Se N não resultar em número inteiro, deve-se arredondar para o número inteiro imediatamente superior ao resultado obtido. Após ter o número de garrafas PET definido, coloque-as em um arranjo simular ao mostrado na Fig. 1, obedecendo uma distribuição de garrafas de seis garrafas PET por cano, com comprimento de 2 metros cada. Dimensionamento: software Visando maior praticidade, foi desenvolvida uma aplicação para efetuar o dimensionamento deste tipo de aquecedor, cujo fluxograma é mostrado na Figura 6.

7 Inicio V volume diário de água a ser aquecida Massa total de água V.1000 Delta_t <- diferença de temperatura Energia para aquecimento <- Massa total de água. 1. Delta_t i <- densidade média do fluxo energético Área do aquecedor <- 2.(Energia para aquecimento) / i Número de garrafas PET <- (V / 12).6. ( ,2 / i) Numero de garrafas PET Área do aquecedor Fim Figura 6 fluxograma da aplicação desenvolvida Esta aplicação foi desenvolvida em JavaScript, ou seja, é acoplado a uma página HTML. Deste modo pode ser facilmente disponibilizado na Internet, assim qualquer pessoa do Brasil que deseja dimensionar um aquecedor solar de água feito com garrafas PET pode fazer isso de sua própria casa.

8 Simulação A partir da aplicação desenvolvida, podem ser feitas simulações de situações práticas que podem receber o aquecedor solar de água feito com garrafas PET. Será exibido neste trabalho o resultado das simulações para uma casa popular com uma família de 4, 6 e 10 moradores. A Tab. 2 mostra os resultados das simulações, informando o número de garrafas PET que devem ser compostas o aquecedor por categoria. Todas as simulações foram feitas supondo a temperatura inicial da água igual a 25ºC e a temperatura final igual a 50ºC. Tabela 2 Resultados das simulações Regiões Número de pessoas por família 4 pessoas 6 pessoas 10 pessoas Norte 72 garrafas PET 108 garrafas PET 180 garrafas PET Nordeste 73 garrafas PET 109 garrafas PET 182 garrafas PET Centro-Oeste 75 garrafas PET 111 garrafas PET 183 garrafas PET Sudeste 79 garrafas PET 116 garrafas PET 188 garrafas PET Sul 80 garrafas PET 118 garrafas PET 192 garrafas PET Considerando que esta água seja destinada ao banho, será calculado a economia média com energia elétrica que cada caso de casa popular com 4, 6 ou 10 moradores. Para isso, será suposto que há um único chuveiro na casa, de potência 5000W e que cada banho dure 10 minutos. O gasto de energia elétrica somente com este chuveiro é dado pelas Eq. (8), Eq. (9) e Eq. (10). 4 E1 = E2 = E3 = (8) (9) (10) Onde: E1: energia elétrica gasta pela família de 4 pessoas (W.h) E2: energia elétrica gasta pela família de 6 pessoas (W.h) E3: energia elétrica gasta pela família de 10 pessoas (W.h) Logo, concluí-se que, para a família de 4 pessoas, haveria uma economia de 1200 kw.h de energia elétrica por ano. Admitindo a tarifa da energia elétrica igual a R$0,35 por kw.h, a economia mensal com aquecimento de água para banho seria de R$420,00. Analogamente, a economia para a família de 6 e 10 pessoas é, respectivamente, R$630,00 e R$1050,00. Considerando que o consumo médio, por morador, de uma residência é 55kW, tem-se que a economia (na conta de energia elétrica) neste caso é de aproximadamente 45%. Conforme mencionado anteriormente, se estima que, para aplicações gerais de aquecimento, haja uma economia de 1% de energia elétrica destinada a isso para cada 5ºC de elevação da temperatura da água em relação a temperatura ambiente. Sendo assim, a economia que se consegue utilizando este aquecedor é relevante, sobretudo para grandes aplicações. Uma observação interessante é a prévia da economia que se teria somente no Brasil se todos utilizassem este tipo de aquecedor: considerando a população total do país sendo 190 milhões de habitantes, o consumo per capita de energia elétrica igual a 55kWh por mês e a tarifa de energia elétrica igual a R$0,35, a economia anual que se teria, para o uso da água aquecida somente com banho, seria de aproximadamente 1, reais, um valor muito relevante não só pelo seu

9 valor absoluto em si, mas também por corresponder a 0,77% do PIB do Brasil em 2007, de acordo com o valor do PIB em 2007 mostrado no jornal Folha On-line do dia 12/03/2008. Palavras-chave Energia solar, Economia, Aquecimento, PET. Agradecimentos Agradecimentos à empresa Praça do Gás pela montagem final do aquecedor e doação de materiais e equipamentos para o Centro de Energias Renováveis, UNESP, Campus Guaratinguetá. Referências [1] S. Colle e E.B. Pereira; Instituto Nacional de Meteorologia (INMET); Atlas de Irradiação Solar do Brasil (Primeira Versão para Irradiação Global Derivada de Satélite e Validada na Superfície); Brasília; 1998 [2] GREEN, M. A. et al.; Solar celi efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Applications (Adaptado).; v. 8; Sydney; 2000 [3] INCROPERE, F.P., WITT, D. P.; Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa; 4a. Edição; LTC; [4] Folha On-line. Notícia: do dia 12/03/2008