AQUECEDOR SOLAR CONFECCIONADO COM GARRAFAS PET E EMBALAGENS CARTONADA SOLAR HEATER MADE FROM PLASTIC BOTTLES AND CARTON PACKAGING

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1 Aquecedor solar confeccionado com garrafas pet e embalagens cartonada Samuel Souza Ramos 1 Lilyan Barbosa Siqueira 1 Lucas Tonette Teixeira 1 Sandra Mara Santana Rocha 2 RESUMO AQUECEDOR SOLAR CONFECCIONADO COM GARRAFAS PET E EMBALAGENS CARTONADA O sistema de aquecimento de águas para banho no Brasil é predominante o Chuveiro Elétrico. Apesar de barato e muito difundido, este também é responsável pelo incremento de aproximadamente 30% do valor da conta de energia elétrica da população. Apesar da alta incidência solar na região norte do Espírito Santo, a técnica de aquecedores solares é pouco utilizada nessa região, este baixo uso da energia solar esta relacionado ao alto custo do sistema de aquecedor solar, neste contexto com o intuito de contribuir com o desenvolvimento de Aquecedores Solares de Baixo Custo (ASBC), bem como contribuir com a redução dos valores das contas energéticas da população de baixa renda e contribuir com a matriz energética brasileira foi construído um aquecedor solar de garrafa PET e embalagens cartonadas. Este aparato foi testado de forma a se levantar a eficiência de aquecimento da água para o banho humano, utilizando apenas uma caixa d água sem boiler. Os testes mostraram temperaturas satisfatórias para o banho com a incidência solar das 9h ás 16:40, podendo assim ajudar ao consumidor de baixa renda a permanecer dentro da faixa de kwh de consumo mensal de energia, minimizando o uso do chuveiro elétrico. Palavras-chave: ASBC; reutilização; economia. ABSTRACT SOLAR HEATER MADE FROM PLASTIC BOTTLES AND CARTON PACKAGING The system of heating water for bathing in Brazil is the predominantly the Electric Shower. Although cheap and widespread, this system is also responsible for an increase of approxi mately 30% in the electric bill. Despite the high solar radiation incidence in the northern region of the state of Espírito Santo - Brazil, the technique of solar water heaters is rarely used in this region. This low use of solar energy is related to the high cost of most solar heating systems. In this context, with the aim of contributing to the development Low Cost Solar Heaters (ASBC), to the reduction of energy bills for low-income families and also contributes to the Brazilian energy matrix a solar heater was constructed out of pet bottles and cartons. This apparatus was tested in order to raise the efficiency of heating water for human bathing, using only a water tank without 1Universidade Federal do Espírito Santo, aluno de Iniciação Científica do Curso de Engenharia Química 2Universidade Federal do Espírito Santo, Departamento de Educação e Ciências Humanas Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p , 2014.

2 Aquecedor solar confeccionado com garrafas... a boiler. Tests showed satisfactory temperature for bathing using the sunlight from 9:00 to 16:40. They show that a system like this can help low-income consumers to remain within a quota of monthly kwh in energy consumption, minimizing the use of electric shower. Key word: SHLC; reuse; economy. INTRODUÇÃO As hidrelétricas no Brasil são responsáveis por 76% do fornecimento de energia da matriz energética brasileira. A superioridade nesta modalidade está relacionada com a grande disponibilidade hídrica no Brasil, facilitando a construção destes empreendimentos, contatado por Budin (2009). Apesar de ser considerada uma fonte de energia limpa a construção de hidrelétricas apresenta alguns pontos negativos, tais como a destruição do bioma local através do alagamento, desalojamento de populações ribeirinhas e ainda acaba com a história de muitas cidades. Outro entrave em relação a esta forma de energia está em sua dependência do período de chuva e a dificuldade em se encontrar áreas para a construção de novas hidrelétricas de grande porte. Assim, as fontes de energias renováveis vêm sendo cada vez mais vistas como uma possível solução para a crise energética mundial. Segundo Goldemberg (2007), para acelerar o crescimento das energias renováveis é preciso vencer as resistências dos mercados e eliminar os subsídios às fontes não renováveis (fósseis e nuclear), subvencionar a entrada de novas tecnologias, reduzindo seus custos, estabelecer políticas mandatórias e progressivas para sua introdução, disseminar as tecnologias para que os países em desenvolvimento as incorporem mais rapidamente sem ter de passar por estágios intermediários e mais poluentes (efeito leapfrogging). Dentre as energias renováveis conhecidas, destaca-se a energia solar. O Sol é diretamente responsável pela maior parte da energia existente na superfície da Terra. Estima-se que o Sol ainda brilhará mais 5 bilhões de anos, ou seja, de uma perspectiva humana apresenta disponibilidade ilimitada. O seu aproveitamento tanto como fonte de calor quanto de luz, é uma das alternativas energéticas mais promissoras. O Brasil possui grande parte de seu território localizado em uma área tropical, ou seja, recebe praticamente o ano todo, grande quantidade de radiação, aumentando a potencialidade do mercado. Existem tecnologias maduras o suficiente para a captação da energia solar. Dentre elas, podem-se destacar os aquecedores solar, equipamentos que captam a radiação solar incidente perpendicular à superfície do coletor para o aquecimento do fluido que passa pelas placas. Porém a difusão da tecnologia de aquecedores solares de água é pouco conhecida devido ao alto custo de implementação dos sistemas. De forma a se popularizar esta tecnologia, várias pesquisas vêm sendo desenvolvidas para se minimizar os custos de implementação de aquecedores solar. Assim, foram desenvolvidos os aquecedores solares de baixo custo (ASBC). Neste contexto este trabalho tem como objetivo construir e testar um aquecedor solar construído de materiais recicláveis. As placas coletoras foram construídas de garrafas PET e embalagens cartonadas, materiais que quando montados, simulam o efeito estufa da terra e propiciam um aquecimento de água suficiente para o banho humano. Permitindo assim uma difusão da tecnologia de aquecimento solar de água, bem como a minimização do valor da conta de energia elétrica de famílias de baixa renda. Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,

3 Ramos, S. S.; et al. De acordo com Sprenger (2007), o banho é umas das horas mais relaxantes do dia, assim um ASBC deve atingir uma temperatura aproximada a 40 C, considerada uma temperatura capaz de proporcionar uma sensação de bem estar durante o banho. Temperaturas muito acima desse valor podem causar um desconforto, além de problemas de pele e desidratação. Para conseguir o efeito estufa no aquecedor solar usou-se garrafas do tipo PET transparente de 2L que aprisionam energia solar. Essa energia é absorvida pelas colunas de PVC e pelas embalagens cartonadas, ambas pintadas com tinta preta fosca. Uma vez transferida energia para o cano através de irradiação (incisão dos raios solares) e convecção (calor transferido da embalagem cartonada para o cano), a mesma será absorvida pela água por condução de calor. Com a absorção de energia a água aquece promovendo um gradiente de temperatura ocasionando o efeito termossifão, o qual é facilitado por uma angulação do painel de 28 em São Mateus- ES (latitude + 10 ) (ALANO, 2004). Que também ressaltou que o painel deve possuir uma inclinação de no mínimo 2 cm a cada metro para evitar acúmulo de bolhas. Por Cabirol (1982), mesmo com a ação de uma bomba de circulação potente o bloqueio causado pelo ar faz com que o funcionamento do circuito seja quase nulo. A capacidade de armazenamento de calor total de um reservatório operando com uma temperatura uniforme se dá por: Q s = (mc p ) T s (1) Em que Q s é a capacidade de calor total para um ciclo de operação na faixa de temperatura T s, com m a massa de água em kg. Como há uma gradiente de temperatura dentro do reservatório, o mesmo é dividido em três seções de mesmo tamanho (T 1, T 2 e T 3 ), cada qual com uma temperatura uniforme. O fluxo de água sai da parte inferior do reservatório com temperatura T 3 e retorna ao mesmo com temperatura T s. A vazão para consumo é a mistura de um volume da seção superior com a seção inferior que estão a uma temperatura T 1 e T 3 respectivamente. Figura 1: Esquema evidenciando a distribuição de temperatura no reservatório. O coeficiente global de perda de calor (U r ) foi utilizado para estimar a perda de calor no reservatório (Q Perdido ), calculado pela Equação: (2) Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,

4 Aquecedor solar confeccionado com garrafas... Na qual A r é a área da superfície do reservatório calculado por: Em que na Equação 2 T a é a temperatura ambiente e T rm a temperatura média do reservatório calculada por uma média aritmética. Segundo Oliveira et al (2006) para um reservatório de polietileno o coeficiente U r é calculador pela equação abaixo: (4) (3) MATERIAL E MÉTODO Utilizou-se 4 painéis para o aquecimento de 150 L de água. Para a confecção de cada painel foram utilizadas cinco colunas de cano PVC de 20 mm tendo cada uma 108 cm de comprimento, pintadas com tinta preta fosca e ligados por dez conectores do tipo T, cinco na extremidade superior e cinco na extremidade inferior. Os conectores do tipo T uniam-se por pedaços do mesmo cano com uma distância de 8 cm, como segue ilustração na Figura 2. Figura 2: Exposição do layout da placa do aquecedor solar confeccionado com garrafa pet e caixas cartonadas. As embalagens cartonadas foram devidamente cortadas e pintadas com a mesma tinta utilizada nos canos de 108 cm. Essas embalagens foram pregadas, para evitar transtornos no momento do transporte, dentro das garrafas do tipo PET de 2L com a face preta voltada para a incidência solar, entre o cano PVC e a garrafa PET. Todas as garrafas PET transparente foram cortadas na parte inferior para evitar o escape da radiação de dentro das mesmas. Para as últimas garrafas de cada coluna, uniu-se a parte superior de garrafas do tipo PET de 2 L cortadas ao meio, formando uma espécie de tampa. Como o efeito desejado é similar ao do efeito estufa, a primeira garrafa de cada coluna foi presa na parte do meio Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,

5 Ramos, S. S.; et al. de cada T com fita isolante e na última garrafa de cada coluna foi passado silicone dentro do bico. Cada cano possui 5 garrafas, sendo num total de 30 garrafas em cada painel. Para que o aquecedor seja eficiente é necessário ter uma garrafa PET transparente a cada litro de água no reservatório. Nesse projeto foi utilizado um total de 100 embalagens cartonadas, 120 garrafas do tipo PET transparentes, uma lata de 500 ml de tinta preta fosca, 1 bisnaga de silicone e 3 rolos de fita isolante. As temperaturas foram coletadas com termômetros de mercúrio em três alturas diferentes no reservatório. Uma a 2 cm da lâmina de água superficial de onde era retirada água quente para o consumo. Outra a meia altura (15 cm), onde era lançada a água proveniente do painel. E uma última no fundo do reservatório (30 cm), próximo a saída de água fria para o painel. As placas foram instaladas em uma área onde não havia interferência de sombras durante o período de coleta de dados. A conexão do painel ao reservatório se deu através de mangueiras de 25 mm. No reservatório há duas bóias, uma que controla a entrada de água acoplada a um redutor de turbulência para que ocorra estratificação da água no reservatório e outra para controlar o misturador, que consiste em um aparato para efetuar o consumo de água superficial e profunda ao mesmo tempo, sem gerar turbulência. Com o intuito de simular a utilização do aquecedor solar, realizou-se consumo da água superficial misturada com a água profunda às 12 h durante 20 minutos. Desta forma, retirou-se 12 L de água aquecida do reservatório de 150 L. RESULTADOS E DISCUSSÕES Com o aparato pronto e colocado em operação nos dias ensolarados, foram coletados os valores de temperatura com o intervalo de tempo de 20 minutos, durante o período de 9h as 16:40. È importante ressaltar que se iniciou a coleta de dados quando o Espírito Santo estava em o horário brasileiro de verão e finalizando as coletas quando ocorreu o término do mesmo. Mesmo assim o intervalo de tempo da coleta de dados permaneceu o mesmo. Com os dados coletados, foram construídos os gráficos com o tempo versus a média das temperaturas superficial, profunda no reservatório e a temperatura ambiente, como segue a Figura 3. Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,

6 Aquecedor solar confeccionado com garrafas... Figura 3: Média das temperaturas superficial e profunda do reservatório e temperatura ambiente das 9h às 16h. A média da temperatura superficial depois das 9h foi superior à temperatura confortável para banho humano. Por isso há necessidade de uma adaptação que misture a água quente com a fria, para que no banho a água esteja em uma temperatura agradável (aproximadamente 40 C). O aquecedor solar de materiais recicláveis é de bom uso para uma residência, pois não tem grandes proporções de aquecimento da água, sendo somente utilizada para banho humano. Observa-se que a partir de 12h até as 16h não houve aquecimento considerável da água superficial, visto que o reservatório começou a entrar em equilíbrio térmico com a vizinhança e com a água mais profunda. Como a temperatura ambiente possui um acentuado acréscimo a partir das 12h, fica evidente que o aquecedor solar possui suas limitações de aquecimento, em que não há possibilidade de se aquecer a água do reservatório mesmo com o aumento da incisão solar. Tornando seguro a utilização do aquecedor solar com o layout da Figura 2, já que a temperatura máxima atingida não se aproximou da temperatura vítrea do PVC. Vale lembrar que o período em que foram realizadas as coletas de dados era o verão (período de maior incisão solar) ao qual não se necessita de água em altas temperaturas. No inverno, período que se necessita de água a maiores temperatura, o aquecedor solar não obterá o mesmo desempenho citado acima, pois é época de menor incidência solar em São Mateus-ES constatada por Nardoto (1999). Uma possível solução seria utilizar o chuveiro elétrico em uma menor potência, paralelo ao uso do aquecedor solar. Com os dados técnicos da Ducha Advanced Multitemperatura - LORENZETI e considerando uma casa com 3 pessoas utilizando o chuveiro elétrico na menor potência somente para metade dos banhos, ou seja, utilizando o chuveiro elétrico em paralelo ao ASBC, economiza-se cerca de R$20,00/mês. O custo material médio de painel solar com 100 garrafas pet gira em torno de R$290,00, não incluindo gastos com o reservatório e o material utilizado para conectar o painel solar ao reservatório. Desta forma, o investimento será recuperado em 14,5 meses. Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,

7 Ramos, S. S.; et al. Com as equações 2 e 4 citadas anteriormente, foi possível calcular o calor perdido pelo reservatório por hora. Abaixo segue o gráfico que demonstra a influência da incisão e do vento na quantidade de calor perdido. Figura 4: Gráfico dos fatores que afetam a perda de calor no reservatório. Para melhor análise dos dados, o gráfico foi dividido em três períodos. No primeiro período, de 9 às 11 horas da manhã, houve uma perda linear de calor, porque o vento influenciou de forma mais significativa do que a radiação incidente quando se analisa o Q Perdido, assim houve o acúmulo de calor no reservatório aumentando a temperatura da água. No segundo período, de 12 às 14 horas, houve um aumento da incisão com o coeficiente linear de perda de calor menos positivo que anteriormente, havendo também uma pequena oscilação da velocidade do vento. Observa-se diante dos dados coletados pela Figura 3, no primeiro período, um acúmulo de energia aumentado ainda mais no segundo período devido ao acréscimo da incisão solar. Com aumento e acúmulo de calor houve maior perda de calor, proporcionando uma temperatura permanente do reservatório. Já no terceiro período viu-se um decréscimo linear da perda de calor e queda de temperatura no reservatório, devido ao não acúmulo de energia explicado pela proximidade das colunas de incisão e velocidade do vento. O Q Perdido está decrescendo porque a capacidade calorífica da água é alta não deixando-a ter uma diminuição brusca de temperatura, mantendo-a em uma temperatura agradável para o banho humano após a seção de incisão dos raios solares. CONCLUSÃO De acordo com os resultados obtidos, podemos concluir que o aquecedor solar de baixo custo é eficiente no aquecimento de água para banho, visto que a temperatura máxima atingida foi superior a ideal para o banho humano, logo o ASBC pode ser utilizado em residências. Caso a região em que se queira utilizar o ASBC possuir baixa incisão de raios solares, recomenda se que o reservatório e os ductos que ligam o aquecedor ao reservatório (entrada de água quente) sejam Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,

8 Aquecedor solar confeccionado com garrafas... isolados termicamente. Os ductos que ligam o reservatório (saída de água fria) ao painel não deveram ser isolados, já que foi observado um pequeno aquecimento de até 1 C nas extremidades desses pontos. Além dos dados terem sidos satisfatórios, com a diminuição da utilização do chuveiro elétrico haverá consequentemente uma diminuição do gasto mensal de energia elétrica e a montagem do aquecedor utiliza principalmente materiais reutilizáveis, que comprova a hipótese de que um ASBC é econômico e gera economia. Assim os objetivos foram alcançados e o ASBC produzido é uma alternativa para populações de baixa renda que queiram economizar na conta de energia elétrica sem se privar de um banho com água quente. AGRADECIMENTO Agradecemos ao MEC que através do edital PROEXT 2011 em parceria com a Pró-Reitoria de Extensão (ProEx/UFES) possibilitou a realização deste projeto de ensino pesquisa e extensão e a empresa Brasil Ambiental pela parceria na realização das oficinas nas comunidades quilombolas REFERÊNCIA ALANO, J. A. Aquecedor solar produzido com materiais recicláveis. Disponível em: Acessado em: 10 nov Budin, M. S. A matriz energética brasileira mitos e realidade: EcoDebate - Cidadania & Meio Ambiente. Disponível em: Acesso em: 10 nov CABIROL, T.; PELISSOU, A.; ROUX, D. O aquecedor solar de água. Lisboa - Portugal: Edições Cetop, p. GOLDEMBERG, J.; LUCON, O. Energias Renováveis: Um futuro sustentável. Revista USP. São Paulo - SP: Editorial, n.72, p.6-15, fev./2007. NARDOTO, E. O. Síntese Geográfica São Mateus. In: NARDOTO, E. O. História de São Mateus, São Mateus: EDAL, (p ) OLIVEIRA, C. E. L de; GARCIA, J. L; PLAZA, S, de la; CHAYA, C. Comparação do coeficiente global de perdas de calor para casa de vegetação aquecida usando diferentes técnicas para eficiência energética. Revista USP. São Paulo - SP: Editorial, v.26, n.2, p , mai./2006. SPRENGER, R. L. Aplicação do sistema fechado no aquecedor solar de água de baixo custo para reservatórios residenciais isolados termicamente: consepção e comissionamento de um sistema-piloto de testes. Curitiba - PR: p. Rev. de Ci. Exatas, RJ, EDUR, v. 33 n 1 jan / jun p ,