UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ESTUDO DE UM RECUPERADOR DE CALOR PARA CHUVEIRO por Bruno Aguiar da Silva Rafael Spies Lopes Vinícius Amaral Paviani Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Porto Alegre, Novembro 2008

2 II RESUMO O presente trabalho apresenta um estudo sobre um modelo de recuperador de calor para chuveiros, realizado através de ensaios e análise dos resultados, com o objetivo de adquirir um melhor entendimento sobre o funcionamento do mesmo através da determinação da eficiência, das caracterizações do regime transiente, de maneira qualitativa e quantitativa, da determinação de uma constante de tempo, da observação dos efeitos da variação de vazão no sistema e da influência no consumo mensal de energia elétrica de uma residência. O Recuperador de calor, que possui uma forma de espiral, absorve o calor da água que irá pelo ralo e transfere para a água que irá para o chuveiro evitando assim o desperdício de energia térmica. Dentro do laboratório de Medições Térmicas, confecciona-se o trocador de calor com tubo de cobre e é montada uma bancada para a aquisição das temperaturas na entrada e na saída do Chuveiro e do Recuperador de calor. Também se faz medição de vazão, de tensão e corrente de alimentação do chuveiro. A menor eficiência determinada foi de 0,55 e a maior constante de tempo é de 53 segundos. Realiza-se um cálculo de amortização para um determinado ensaio, o qual verifica-se ser necessários 14 meses de uso para que o investimento se pague. Para tal cálculo, considera-se o valor de todo o equipamento e não apenas o valor do recuperador, já que o consumidor terá que adquirir de qualquer maneira chuveiro. Obteve-se uma economia de R$ 24,05 por mês utilizando o Recuperador com eficiência mínima estimada. Através dos resultados, conclui-se que é valida a aquisição do sistema com o recuperador, pois o mesmo evidencia cumprir de maneira extremamente satisfatória seu objetivo. Além da eficiência, seu comportamento transiente é considerado rápido, levando em conta que o consumidor levaria o mesmo tempo entre ligar o chuveiro, despir-se e iniciar o banho. Palavras-chave: Recuperador de Calor, Trocador de Calor, Eficiência, Chuveiro, Rewatt

3 III ABSTRACT Analysis of a Het Recover for Showers The current report discloses a study made on a kind of heat exchanger, used to pre-heat showers, similar to one product that is commercially available by the Rewatt Company, aiming to get a better understanding about the system working, the characterization of the transient period in a qualitatively e quantitatively way, the time constant determination, the checking of the flux variation influence on its behavior and monthly electricity consumption of a residence. The Heat Recuperator comprises a coil pipe that recovers the heat of the waste water is being drained out e heat the incoming cold water flowing through the coil tube thus avoiding the waste of the thermal energy. The heat Recuperator is developed inside the Thermal Measurements Laboratory comprising a based copper coil pipe set in a system able to output Temperature data in both inlet and outlet of the heat exchanger and the shower. The less efficiency value was 0,55 and the longer time constant was 53 seconds. It was calculated a period of 14 months using the system until the initial cost be amortizes. It was obtained a saving value R$ 24,05 per month with the heat exchanger. With the results, it appears that is likely to set the heat recover, because the evidence of the satisfactory application has met its goals. Besides efficiency, its transient behavior is quick enough to meet de minimal costumers requirements: the time is similar to the act of release the water, get undressed and begin taking shower. Keyword: Heat Recover, Heat exchanger, Efficiency, Shower, Rewatt

4 IV SUMÁRIO Pág. 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA TÉCNICAS EXPERIMENTAIS O funcionamento do recuperador de calor projetado A bancada O trocador de calor Instrumental e calibração Metodologia dos ensaios e análise ) Ensaio tipo ) Ensaio tipo ) Ensaio tipo ) Análise RESULTADOS Potências, eficiências e constantes de tempo Cálculo da economia e amortização Analise das incertezas CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 17

5 V LISTA DE SÍMBOLOS P = potencia elétrica (W), E = tensão elétrica medida (V), I = corrente elétrica medida (A), Q chuv = potência térmica adicionada pela resistência elétrica do chuveiro (W), M = vazão mássica de água na saída do chuveiro (kg/s), c p = calor específico da água (4184 J/Kg.K), T C = temperatura de saída do chuveiro, ou seja, a temperatura de banho ( o C), T S = temperatura de saída da serpentina ( o C); Q serp = potência térmica adicionada pela serpentina (W), T E = temperatura de entrada na serpentina, temperatura da água da rede de abastecimento ( o C), η p = eficiência térmica do recuperador de calor calculada pela potência elétrica do chuveiro, η t = eficiência térmica do recuperador de calor calculada pela potência térmica do chuveiro, τ chuv = constante de tempo do chuveiro(s) τ serp = constante de tempo da serpentina (s)

6 1 1. INTRODUÇÃO O mundo vive uma crise financeira em larga escala, desaceleração do crescimento de muitos países e ampliação da idéia sustentável e ecologicamente correta. A constante decadência financeira dos bancos, restrições nas emissões de CO 2, assim como a carência no fornecimento e distribuição de energia, fortalecem a manutenção de um ambiente de desconfiança global. Entretanto, situações como essas servem como estímulos para que idéias e pesquisas em novos produtos capazes de driblar a crise se desenvolvam. Motores que rodam com combustíveis renováveis, utilização de energias limpas como a solar e a eólica são provas que os engenheiros estão buscando soluções novas alternativas para problemas e necessidades antigas. O Brasil, um país com a economia entre as 20 maiores do mundo, passa por um processo complicado no seu desenvolvimento. Com cada vez mais indústrias, a necessidade de fornecimento de energia na malha enérgica cresce proporcionalmente, porém a ampliação da infraestrutura não segue a mesma linha. A situação se agrava quando o chuveiro elétrico, o chamado vilão da rede elétrica brasileira, entra em ação. Segundo publicado no site da Eletrosul [Economia com energia solar - 23/12/ o consumo deste aparelho, em horário do pico compreendido entre 18 e 21hs, corresponde em aproximadamente 9% da demanda da potência total instalada, ou 40% da potência instalada da Usina de Itaipu. O gasto com o chuveiro em uma residência de 4 pessoas varia entre 25 a 35% da fatura elétrica. Cientes das informações citadas anteriormente surgiram propostas e idéias para tentar amenizar os gastos provocados pelo chuveiro elétrico. Como podem ser vistas nas figuras a seguir, algumas publicações de patentes ilustram tentativas, mas que, por não serem práticos, os produtos acabam obsoletos. [ JAMES W. KROMBERG et al, 1992; JOHN R. NODILE, 1998; and ROBERT D. SHEFFIELD, 1989]. a) b) c) Figura 1 Exemplos de Recuperadores de calor para Chuveiros ( a) JAMES W. KROMBERG et al, 1992; b) JOHN R. NODILE, 1998; c) ROBERT D. SHEFFIELD, 1989)

7 2 Nota-se que os equipamentos possuem o mesmo princípio de recuperar o calor da água que é drenada pelo ralo, mas mesmo possuindo características e design diferentes, a complexidade de instalação e manutenção permanece. Porém, um produto desenvolvido pelo Engenheiro José G. Magalhães, em Minas Gerais, foi publicado no Jornal Nacional da Rede de TV Globo [ como uma solução para redução de energia elétrica. Ele se destaca das demais invenções como uma alternativa dotada de praticidade e eficiência. A instalação do equipamento não requer alterações estruturais, nem mesmo qualquer reforma no banheiro, e segundo o fabricante, possui uma eficiência de 50%, possibilitando uma redução total na fatura mensal de até 30%. Neste trabalho é feito um estudo com o objetivo de melhor entender o funcionamento de um dispositivo recuperador de calor para chuveiros similar ao que é produzido pela empresa Rewatt. Foi estimada a eficiência do equipamento, seu comportamento transiente e efeitos a variação de vazão, através de testes experimentais feitos em uma bancada montada dentro do Laboratório de Ensaios Térmicos da Engenharia Mecânica da UFRGS e colhidos os dados de temperaturas na entrada e na saída do recuperador de calor e do chuveiro. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Sistemas que tem por objetivo a economia de energia através da sua recuperação estão vagarosamente surgindo no mercado, inclusive para o uso domiciliar. Um recuperador de calor para chuveiros elétricos, produzido pela empresa Rewatt, representa um destes produtos, que possivelmente em um futuro não tão distante poderão estar presente em muitas residências. Foi publicado recentemente que a CEMIG irá doar 7 mil destes equipamentos para a instalação em residências de população de baixa renda. A idéia do funcionamento deste equipamento é muito simples: recuperar o calor da água do banho que antes seria perdido pelo ralo. A figura a seguir ilustra o Recuperador Rewatt. Figura 2 Recuperador de calor Rewatt

8 3 O produto foi testado pelo laboratório de ensaios de equipamentos solares da PUCMG GREEN, 2006, visando a avaliação experimental e teórica. Os ensaios feitos sobre uma bancada montada seguiram alguns procedimentos estabelecidos pela Norma NBR 12089, como vazão de 3 L/min, e temperatura de saída do chuveiro de 40,0 C. Segundo os dados obtidos pelos ensaios é possível evidenciar uma eficiência de aproximadamente 50%. A tabela a seguir apresenta os dados publicados no laudo. Tabela 1 Resultados dos ensaios [ Relatório de Ensaio de Recuperador de Calor Acoplado a Chuveiro Elétrico, GREEN PUCMG, Brasil] Todos os resultados foram obtidos e publicados quando o sistema encontra-se em regime permanente, entretanto não foi informado nada a respeito do comportamento transiente. Da mesma forma, não foi exposto qual o tempo necessário para que a temperatura de saída do chuveiro alcance ao menos 90% do seu valor máximo. Este dado torna-se relevante considerando que este será o momento que permitirá ao consumidor iniciar o banho. O relatório completo encontra-se nos anexos deste trabalho. 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 3.1 O funcionamento do recuperador de calor projetado. A Figura 3 ilustra o funcionamento descrito a seguir. (3) (1) (2) Figura 3 Recuperador de calor

9 4 Trata-se de um trocador de calor posicionado abaixo do chuveiro que entra em contato com a água quente que cai deste (3), sendo então o trocador de calor aquecido. Ao ser aberto o registro de água (fria), visto em (1) na Figura 3, a água é conduzida por uma mangueira até um trocador de calor (2), uma serpentina de cobre em formato de espiral (ver item 3.3). Após a passagem pelo interior desta serpentina, a água é levada até o chuveiro, sendo aquecida no chuveiro por resistência elétrica (efeito Joule). O trocador de calor estando abaixo do chuveiro começa a entrar em contato com a água do banho (quente) e passa a ser aquecido absorvendo a energia térmica da água, que antes era desperdiçada e jogada no ralo. O calor é então transmitido a água que entra na serpentina, realizando um pré-aquecimento antes de ela entrar no chuveiro. 3.2 A bancada Uma foto da bancada pode ser vista na figura abaixo: Figura 4 Bancada de ensaios A bancada foi montada com o objetivo de realizar os ensaios de maneira prática, segura e limpa. Utilizaram-se condutos flexíveis (mangueiras) e conexões com rosca nas ligações do chuveiro e do trocador de calor. Uma piscina pequena coleta a água do chuveiro, evitando vazamentos e garantindo a limpeza do local. O suporte para a serpentina é de poliestireno expandido, com borda para disposição adequada do trocador de calor e furos para escoamento da água. Assim, durante a realização dos ensaios, a água que é depositada na piscina causa a flutuação do suporte, fazendo com que a serpentina não fique em banho, e sim que a água quente apenas escoe sobre

10 5 ela, simulando o funcionamento do produto comercializado pela empresa Rewatt.. A montagem da bancada possibilita rapidamente monta-la e desmonta-la. 3.3 O trocador de calor O trocador de calor confeccionado, aqui também chamado de serpentina, possui as seguintes dimensões e material: * Diâmetro externo total: 58 cm; * Diâmetro do tubo: 1,27 cm (0,5 in); * Espessura da parede do tubo: 9mm; * Comprimento do tubo: 15m * Número de voltas: 14 * Material do trocador de calor: cobre A figura a seguir mostra o trocador de calor confeccionado: Figura 5 - Trocador de calor (serpentina) 3.4 Instrumental e calibração As ferramentas necessárias para a caracterização de um recuperador de calor para chuveiros são aquelas que possibilitem o conhecimento do ganho energético adicionado ao fluido de trabalho na entrada do sistema devido à recuperação do calor que seria perdido. Faz-se necessário conhecer a elevação de potencial térmico (temperatura) da água devido à passagem por um trocador de calor. Para isso foram utilizados 03 sensores de temperatura, do tipo PT100, posicionados conforme mostra a Figura 6:

11 6 PT100 (T S ) PT100 (T C ) PT100 (T E ) Figura 6. Posição dos Sensores PT100 * 01 PT100 na entrada da serpentina, a fim de conhecer a temperatura da água proveniente da rede de fornecimento (T E ), antes de ser aquecida no trocador de calor. * 01 PT100 na saída da serpentina, a fim de conhecer a temperatura de entrada da água no chuveiro, e o ganho de temperatura devido a recuperação do calor no trocador. * 01 PT100 na saída do chuveiro, a fim de conhecer a temperatura de banho (T C ), e o ganho de temperatura devido a potência elétrica do chuveiro. Apesar da determinação do valor absoluto das temperaturas ser de importância secundária, sendo o principal objetivo o conhecimento das diferenças de temperatura entre a entrada e a saída do trocador de calor e entra a entrada e saída do chuveiro, foi realizada uma calibração dos sensores utilizados. A Figura 7 abaixo ilustra o procedimento de calibração dos sensores PT100 descritas a seguir. Figura 7 Calibração dos PT100 com termômetro de vidro O procedimento de calibração foi o que segue:

12 7 1) Os três sensores resistivos PT100 foram ligados a três canais da placa de aquisição HP, e utilizando o software Agilent BenchLink Data Logger as três temperaturas forma lidas diretamente na tela do computador. 2) Os sensores foram colocados em um banho de água juntamente com um termômetro de vidro calibrado. 3) O banho de água foi colocado em duas temperaturas diferentes, e para cada uma delas foi lida a temperatura no termômetro de vidro e nos sensores PT100, na tela do computador, e então calculada a diferença de temperatura entre a referência (termômetro de vidro) e os sensores PT100. 4) Conhecendo-se o comportamento linear dos PT100 para uma ampla faixa de temperaturas, dentro da faixa de utilização de um chuveiro, foi calculada a média entra as diferenças do de temperatura do item anterior e adicionadas ao programa Agilent BenchLink Data Logger como um offset específico em cada canal. Os valores encontrados na calibração encontram-se na tabela abaixo: Tabela 2 Calibração dos PT100 Termômetro de vidro ( C) PT100 #01 ( C) PT100 #02 ( C) PT100 #03 ( C) Banho 01 38,8 40,59 40,45 40,6 Banho 02 27,8 29,921 29,907 29,968 Diferença 1-1,79-1,65-1,8 Diferença 2-2,12-2,11-2,17 Média -1,96-1,88-1,98 Para o cálculo da potência elétrica do chuveiro, foi medida a tensão da rede e a corrente no chuveiro. A tensão foi medida em paralelo com a entrada da fiação do chuveiro, através de um multímetro Minipa ET A corrente foi medida em uma fase do chuveiro com um alicate amperímetro Kyoritsu Model Decidiu-se não fazer a aquisição de dados da tensão e da corrente, por esses valores não variarem significativamente durante os ensaios, visto que a tensão nominal da rede é fixa (como uma fonte de tensão ideal) e seu valor nominal é 220V e a resistência elétrica do chuveiro também não varia significativamente, gerado uma corrente constante. A medição da vazão mássica, importante nos cálculos de potência térmica, foi medida por um princípio similar ao de tanque aferido. Utilizando um balde coletou-se determinada massa de água por certo tempo, medido com um cronômetro. Em seguida, foi verificada a massa de água que entrou no balde através de uma balança (Marte AC10K), sendo ela previamente ajustada para descontar a massa do balde. Assim, dispôs-se de todas as informações necessárias para a definição da vazão mássica do sistema.

13 8 3.5 Metodologia dos ensaios e análise Em busca do conhecimento do comportamento transiente do sistema e de sua eficácia em recuperar o calor que seria perdido, adotou-se pelo menos três metodologias para a realização dos ensaios, ambas com os mesmos princípios e com pequenas diferenças entra si ) Ensaio tipo 1: Este ensaio objetiva a definição da eficácia do sistema e também pode ser usado para verificação do regime transiente de estabilização da temperatura. Os procedimentos são descritos abaixo: 1) Abrir o registro do fornecimento de água com o chuveiro desligado da rede elétrica, para garantir que toda a tubulação e os medidores de temperatura estejam em um banho a mesma temperatura (temperatura da água da rede). Essa condição deve ser verificada a fim de garantir a validade do sistema. Neste momento não é realizada a aquisição de dados. Após a checagem da temperatura, o registro é fechado. 2) O chuveiro é ligado (na posição inverno ou verão). Abre-se o registro e inicia-se a a- quisição de dados das temperaturas do sistema (entrada e saída do trocador de calor e saída do chuveiro) no mesmo instante. 3) Realiza-se a aquisição das temperaturas (que são verificadas diretamente na tela do computador) até a estabilização das mesmas, ou seja, quando o sistema está claramente em regime permanente. 4) Utilizando um balde, um cronômetro e uma balança é feita a medição de vazão mássica, conforme já descrito no item ) Ensaio tipo 2: o objetivo deste ensaio cujos procedimentos são bastante similares ao anterior, é observar o comportamento do sistema frente a um aumento de vazão. Os procedimentos são descritos abaixo: 1, 2 e 3) Idem aos itens 1, 2 e 3 do ensaio tipo 1 4) Verificada a estabilidade do sistema, realiza-se um aumento da vazão, através do aumento da abertura do registro do chuveiro. Novamente espera-se até verificar o sistema em regime permanente (sem variações significativas da temperatura). 5) Idem ao item 4 do ensaio tipo 1.

14 ) Ensaio tipo 3: a finalidade deste ensaio é verificar o comportamento do sistema frente a uma obstrução acima do trocador de calor, evitando que a água quente caia sobre ele. Também é possível observar o regime transiente, a fim de determinar o tempo necessário para que o recuperador de calor consiga aquecer a água de entrada da rede. Os procedimentos são descritos abaixo: 1, 2 e 3) Idem aos itens 1, 2 e 3 do ensaio tipo 1 4) Realiza-se a obstrução acima do trocador de calor, coletando a água quente do chuveiro em um balde, evitando que esta caía sobre o trocador de calor durante determinado tempo. A água coletada já irá ser parâmetro para a determinação da vazão mássica, sendo medido também o tempo de coleta. 5) Retira-se a obstrução, permitindo que a água quente do chuveiro caísse novamente sobre a serpentina ) Análise: após a realização dos ensaios, adquiridas as temperaturas do sistema e verificadas a tensão e a corrente do chuveiro, são feitos os cálculos de potência elétrica do chuveiro, potência térmica do chuveiro e potência térmica de recuperação de calor na serpentina. Com isso é definida a eficiência do trocador de calor para cada ensaio, ou para cada situação. A potência elétrica do chuveiro, P(W) é calculada como: P = EI (1) Onde E é a tensão medida e I é a corrente medida. Como é conhecida a temperatura nos três estágios do sistema (entrada da rede de abastecimento, saída da serpentina e saída do chuveiro), é possível também o cálculo da potência térmica adicionada no fluido de trabalho pela resistência elétrica do chuveiro, Q chuv (W), a partir da diferença de temperaturas entra a entrada e a saída do chuveiro, sendo: Q chuv. = m c ( T T ) (2) p C S Onde m a vazão mássica de água na saída do chuveiro (kg/s), c p o calor específico da água (4184 J/Kg.K), T C a temperatura de saída do chuveiro, ou seja, a temperatura de banho ( o C) e T S a temperatura de saída da serpentina ( o C). Vale informar que as temperaturas T C e T S utilizadas na Equação 3 são as médias dos dados de temperaturas, adquiridas a uma taxa de um dado a cada dois segundos, de uma faixa para quando o sistema encontra-se em regime permanente. Considerou-se regime permanente quando as temperaturas variaram menos de 5% em 30 segundos. A potência térmica adicionada no sistema pelo recuperador de calor, Q serp (W), é dada por:

15 10 Q serp. = m c ( T T ) (4) p S E Onde m é a vazão mássica de água na saída do chuveiro (kg/s), c p o calor específico da água (4184 J/Kg.K), T S a temperatura de saída da serpentina ( o C) e T E a temperatura de entrada na serpentina, temperatura da água da rede de abastecimento ( o C). Aqui, da mesma maneira, as temperaturas T S e T E utilizadas na Equação 4 são as médias dos dados de temperaturas, adquiridas a uma taxa de um dado a cada dois segundos, de uma faixa para quando o sistema encontrase em regime permanente. Considerou-se regime permanente quando as temperaturas variaram menos de 5% em 30 segundos. A eficiência do trocador de calor é definida como a potência térmica recuperada pela serpentina Q serp, pela potência consumida pelo chuveiro, P ou Q chuv. Assim:. Qserp m c p ( TS TE ) η p = = (5) P EI ou Q. m c ( T T ) ( T ( T T serp p S E S E η t = = =. (6) Qchuv m c ( ) C TS p TC T S ) ) 4. RESULTADOS 4.1 Potências, eficiências e constantes de tempo O primeiro ensaio realizado foi do tipo 1, conforme descrito no item 3.5.1, cujos objetivos são o cálculo da eficiência do trocador de calor e a verificação do comportamento do sistema em regime transiente. Esse ensaio foi realizado com o chuveiro na posição verão. A Figura 8 abaixo mostra o resultado do ensaio.

16 11 42,5 40,0 37,5 Temp. Saída Chuveiro TC Temp. Entrada Serpentina Temp. Saída Serpentina TS TE Temperatura ( C) 35,0 32,5 30,0 27,5 25,0 22,5 20, Tempo (s) Figura 8 - Ensaio tipo 1 Como pode ser notado na Figura 8, o ensaio transcorreu até ser atingido um regime permanente. Nota-se também uma oscilação da temperatura de entrada da serpentina, T E, logo no início do ensaio de aproximadamente 1 o C. Esta variação ocorreu devido a acomodação do sistema, que estava banhado em uma temperatura diferente ao entrar em contato com a água de entrada. A figura acima já fornece os dados necessários para o cálculo da eficiência, que como foi visto, pode ser calculado através das diferenças de temperatura. Para os cálculos das potências, segue os dados medidos do ensaio: Vazão mássica: ṁ = 4,185 Kg/min Tensão medida: E =208 V Corrente medida: I = 14,5 A Com isso, a partir das equações 1, 2 e 3, têm-se: Potência Elétrica: P = 3016 W Potencia térmica do chuveiro: Q chuv = 3198,8 W Potência térmica da serpentina: Q serp = 1830,7 W Verifica-se que o valor da potência elétrica resultou significativamente menor do que a potência térmica do chuveiro, fato este incoerente. A potência elétrica deveria ser maior do que a térmica, visto que a eficiência de uma resistência (como a de um chuveiro elétrico) é ligeiramente menor do que a unidade. Nota-se ainda que a tensão medida na entrada do chuveiro resultou

17 12 muito menor do que a tensão nominal da rede (220V) que se admite como uma fonte ideal de tensão, logo, invariável. Caso a tensão fosse 220V no chuveiro, teríamos uma potência elétrica de 3190W, semelhante à potência térmica do chuveiro, considerando as incertezas associadas. Ainda, se a potência elétrica fosse calculada segundo a tensão nominal da rede e o fator de correção utilizado no Relatório de Ensaio de Recuperador de Calor Acoplado a Chuveiro Elétrico, PUC 2006, que objetiva corrigir a potência devido a variação entre o valor medido de tensão e o valor nominal da rede, chegaríamos a uma potência elétrica de 3374 W. Como as incertezas associadas a esses valores são maiores do que as das medições de temperaturas e pela baixa segurança no uso deles, optou-se por calcular a eficiência do trocador de calor neste trabalho utilizando as potências térmicas, do chuveiro e da serpentina. Deste modo, resulta para este ensaio: Eficiência do recuperador de calor: η = 0,572 ou 57,2% A verificação do comportamento transiente deu-se de maneira qualitativa, pela observação da figura 7 e pelo cálculo das constantes de tempo do chuveiro e da serpentina. Constante de tempo do chuveiro: τ chuv = 22 s Constante de tempo da serpentina: τ serp = 40 s O segundo ensaio realizado foi do tipo 2, conforme descrito no item 3.5.2, cujo objetivo principal é observar o comportamento do sistema frente a um aumento de vazão. Esse ensaio foi realizado com o chuveiro na posição inverno. A Figura 9 abaixo mostra o resultado do ensaio Temperatura ( C) Temp. Saída Chuveiro TC Temp. Entrada Serpentina TE Temp. Saída Serpentina TS Aumento da Vazão Obstrução de Água Sobre a Serpentina Tempo (s) Figura 9 - Ensaio tipo 2

18 13 Como não faz parte dos objetivos deste ensaio avaliar o comportamento transiente do sistema, optou-se por apresentá-lo com seu início a partir do ponto de estabilização do sistema, ou seja, quando o mesmo entro em regime permanente. Nota-se inicialmente uma elevada temperatura de saída do chuveiro inicial, próxima aos 50 o C, temperatura essa impraticável para o banho. A partir dos 226 s de ensaio a vazão foi aumentada, resultando em uma queda da temperatura de banho. Deste modo, este ensaio possibilitou o cálculo de duas eficiências da serpentina, uma antes do aumento da vazão e outra depois. Os dados do ensaio foram: Vazão mássica: ṁ = 7,279 Kg/min (vazão após o aumento) Tensão medida: E =211 V Corrente medida: I = 20 A Com isso, a partir das equações 1, 2 e 3, têm-se: Potência Elétrica: P = 4220 W Potencia térmica do chuveiro após o aumento de vazão: Q chuv = 4968,9 W Potência térmica da serpentina após o aumento de vazão: Q serp = 3383,6 W Deste modo, resulta para este ensaio: Eficiência do recuperador de calor, antes do aumento de vazão: η = 0,545 ou 54,5% Eficiência do recuperador de calor, após o aumento de vazão: η = 0,681 ou 68,1% O terceiro ensaio realizado foi do tipo 3, conforme descrito no item 3.5.3, cujos objetivos são: verificar o comportamento do sistema frente a uma obstrução acima do trocador de calor, evitando que a água quente caia sobre ele, observar o regime transiente e definir a eficiência do recuperador de calor. Esse ensaio foi realizado com o chuveiro na posição inverno. A Figura 10 abaixo mostra o resultado do ensaio.

19 Temperatura ( C) Temp. Saída Chuveiro Temp. Entrada Serpentina Temp. Saída Serpentina TC TS TE Colocada Obstrução sobre a serpentina Retirada Obstrução sobre a serpentina Tempo (s) Figura 10 - Ensaio tipo 3 Neste ensaio foi realizada a obstrução sobre a serpentina, impedindo-a de entrar em contato com a água quente do chuveiro, onde nesse momento mediu-se a vazão mássica. As oscilações observadas logo antes da colocação da obstrução acredita-se ser efeito de alguma alteração momentânea da vazão, infiltração de bolhas de ar ou ainda uma queda brusca de tensão da rede. Nota-se que quando realizada a obstrução a temperatura de banho cai sensivelmente, comprovando o funcionamento do recuperador de calor. Ainda, em pouco mais de 100 segundos o sistema atinde a condição de não unso da serpentina, quando a temperatura de entrada é igual a de saída, fazendo com que a água que entre nela não receba qualquer adicional de energia até chegar ao chuveiro. Os dados do ensaio foram: Vazão mássica: ṁ = 3,475 Kg/min Tensão medida: E =211 V Corrente medida: I = 20 A Com isso, a partir das equações 1, 2 e 3, têm-se: Potência Elétrica: P = 4220 W Potencia térmica do chuveiro: Q chuv = 4721,5W Potência térmica da serpentina: Q serp = 2918,8 W Deste modo, resulta para este ensaio:

20 15 Eficiência do recuperador de calor, antes da obstrução: η = 0,631 ou 63,1% Eficiência do recuperador de calor, após retirada da obstrução: η = 0,625 ou 62,5% A verificação do comportamento transiente deu-se de maneira qualitativa, pela observação da figura 9 e pelo cálculo das constantes de tempo do chuveiro e da serpentina. Constante de tempo do chuveiro: τ chuv = 53 s Constante de tempo da serpentina: τ serp = 45 s 4.2 Cálculo da economia e amortização Tomando o ensaio 3 como referência, são feitos os seguintes cálculos para determinar a economia e a amortização. Considerando vazão m= 3,47kg\min, temperatura de entrada sistema T E = 23,5ºC, temperatura de saída do chuveiro, T C = 42ºC, a variação de temperatura exigida é de: T = 18,5ºC. Assim, a potência necessária é:. 3,47 Q = m c p T = ,5 = 4477W 60 Considerando uma eficiência de 99%, a potencia necessária é Q = 4522W. A menor eficiência da serpentina calculada dentre os ensaios foi de 0,55. O T necessário é de 18,5; então com a serpentina o T do novo chuveiro é de: T + 0,55 T = 18,5 ; Assim, T = 11,95ºC. Esta é o delta T que o novo chuveiro precisa alcançar, pois a serpentina contribui com mais 6,5ºC resultando no total de 18,5. Procede-se o cálculo do novo chuveiro: Considerando T = 12ºC ;. 3,47 Q = m c p T = = 2904W 60 Considerando eficiência 99% ; o novo chuveiro deve ter potencia de 2933W. O valor da tarifa da RGE é R$ 0,509\kWh. Considerando 4 banhos por dia de 15 min cada, totaliza = 60 min = 1h por dia. Considerando 30 dias, serão 30hs por mês. * Sem a Serpentina: Q*1h*30 = 4,522kW*1h\dia * 30dias = 135,66 kwh. 135,66 kwh*tarifa = R$ 69,05\mês * Com serpentina: Q *30 = 3,0kW*30 = 90 kwh. 90 kwh*tarifa = R$ 45,00\ mês. Diferença = 69,05 45 = Economia de R$ 24,05 por mês.

21 16 O custo do equipamento disponível no mercado é R$360,00, com isso o tempo de amortização é de 14 meses. 4.3 Analise das incertezas Tendo em vista que em nenhum momento utilizaram-se as medidas de tensão e corrente para os cálculos objetivos deste trabalho, como o de eficiência, as incertezas associadas a essas medições não foram calculadas, apesar de serem as mais simples. Como a eficiência fora definida simplesmente em função das diferenças de temperatura, igualmente as incertezas de medição da vazão mássica não se fazem necessárias para os objetivos deste trabalho. As principais, e mais importantes incertezas a se determinar são aquelas associadas às medidas de temperatura. Como já foi dito, o valor absoluto das temperaturas é de relevância secundária, sendo o importante a diferença entre as temperaturas. A rastreabilidade dos sensores utilizados é complicada. Os PT100 não indicavam sua marca de fabricação, onde poderíamos encontrar valores percentuais de incerteza. Por tanto foi realizado um ensaio, que procedeu-se a calibração, a fim de verificar a incerteza das diferenças de temperaturas. Em um banho foram colocados os três sensores, já calibrados, e o termômetro de vidro, sendo este o referencial de temperatura. No computador, verificou-se a temperatura dos PT100 e registrou-se também a temperatura do termômetro. Seguem os resultados: Termômetro: T = 23,3 o C PT100 #01: T = 23,138 o C PT100 #02: T = 23,247 o C PT100 #01: T = 23,306 o C O desvio padrão calculado para as diferenças de temperaturas dessa amostragem é de 0, Tomando três desvios padrão temos , o que representa aproximadamente 1,1% da medição de temperatura utilizada como referência. 5. CONCLUSÕES Todos os ensaios realizados evidenciaram que o recuperador de calor para chuveiros projetado cumpre de maneira extremamente satisfatória o seu objetivo. Nos testes analisados, a menor eficiência encontrada foi de 55%, chegando até a 68% em casos específicos. Além disso, seu comportamento transiente é bastante rápido, sendo o atraso de resposta do sistema, ou seja, o

22 17 tempo que o trocador de calor leva para sentir o efeito do aquecimento e transmitir para o fluido de entrada de pouquíssimos segundos. Ainda, as constantes de tempo, tempo para o qual o chuveiro e a serpentina atingem aproximadamente 63% do valor em regime permanente de 22 a 53 segundos para o chuveiro e de 40 a 45 segundos para a serpentina. No primeiro ensaio verifica-se claramente pelas curvas geradas a eficiência do recuperador, associando as diferenças entre as curvas superiores e as inferiores. Este ensaio é o mais básico possível e serviu como inspiração à busca de variáveis que influenciassem nessa eficiência. Aqui o comportamento transiente também já se mostra bastante satisfatório. Qualitativamente pode-se perceber que o tempo até alcançar o regime permanente é de cerca de 100 segundos. Porém, para atingir 63% da temperatura em regime permanente para a água de banho, levou-se apenas 20 segundos. O segundo ensaio, realizado sob a perspectiva do aumento da vazão, revelou também características importantes sobre o sistema. Verificou-se um aumento significativo da eficiência com o aumento da vazão. Esse fato ocorreu possivelmente devido à utilização de um potencial térmico maior anterior que caía sobre a serpentina para mantê-la aquecida, remanescendo e gerando uma recuperação proporcionalmente maior. Um estudo mais detalhado e quantitativo dessa influência da vazão sobre a eficiência deve ser realizado futuramente. No terceiro ensaio, o mais longo, foi verificado o comportamento transiente, a eficiência do recuperador de calor e o efeito da obstrução sobre o trocador. Como se esperava, ao impedir a serpentina de entrar em contato com a água quente do chuveiro, a temperatura adquirida na saída da serpentina caiu até o patamar da temperatura de entrada, mostrando que não houve recuperação de calor, com eficiência zero. A mesma queda de temperatura é verificada na saída do chuveiro, que levou cerca de 120 segundos para cair até o seu patamar mais baixo. Esse gradiente negativo ocorre devido a pequena acumulação de calor do cobre, do remanescente de água quente sobre a serpentina após a obstrução e da água que ainda estava percorrendo os 15 metros dentro da serpentina depois de efetuada a obstrução. Nota-se também que após a retirada da obstrução a temperatura volta a crescer e se estabiliza em um patamar que fornece a mesma eficiência que no estágio anterior. Isso mostra que a eficiência está relacionada principalmente à vazão mássica de água no sistema e da temperatura da água que entra na serpentina, temperatura da água da rede de abastecimento. O estudo econômico mostra que o investimento é válido, especialmente nas regiões mais frias do país, onde os chuveiros geralmente utilizam altas potências e, portanto, consomem altos valores de energia elétrica. No cálculo realizado, utilizando a menor eficiência encontrada, para

23 18 uma casa com 4 pessoas foi possível reduzir em aproximadamente 35% o gasto mensal com o chuveiro, o equivalente a uma economia de 24 reais por mês. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS NODILE, JOHN R., 1998, Heat Recovery Device for Showers, US Patent , United States of America. KROMBERG, JAMES W., 1992, WasteWater Heat Recovery Apparatus, US Patent , United States of America. SHEFFIELD, ROBERT D., 1989, Tube and Shower Floor Heat Exchanger, US Patent , United States of America. ROCHA, JÚLIA M. G.; 2006, Relatório de Ensaio de Recuperador de Calor Acoplado a Chuveiro Elétrico, GREEN PUCMG, Brasil