Instituição Escola Técnica Sandra Silva. Direção Sandra Silva. Título do Trabalho Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico.

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1 Instituição Escola Técnica Sandra Silva Direção Sandra Silva Título do Trabalho Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico Áreas Mecânica Coordenador Geral Carlos Augusto Gomes Neves Professores Orientadores Allessandra Pimentel de Farias Bianca Figueiredo Pinudo Gomes Alunos Autores Exequiais Oliveira da Silva Hilton Paz de Aragão Robson Gomes da Silva Wellington Ferreira da Silva Avaliadores Daniel Alves Ferreira Júnior Liece Gomes de Souza Junior Duração no desenvolvimento do Projeto 3 meses

2 2 SUMÁRIO RESUMO...3 INTRODUÇÃO...9 DESENVOLVIMENTO OBJETIVO GERAL OBJETIVO ESPECÍFICO JUSTIFICATIVA METODOLOGIA PROBLEMATICA...11 RESIDÊNCIAS ECONÔMICAS...14 COMO CALCULAR O CONSUMO DE ENÉRGIA...16 SISTEMA DE APROVEITAMENTO TÉRMICO...17 CONCLUSÃO...22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...22

3 3 RESUMO O objetivo principal deste trabalho é destacar, o aproveitamento da energia térmica, destacando que através da produção de frio e sistema de refrigeração de ar condicionado, também é possível a ostensão de calor proveniente desta fonte para o aproveitamento em saunas, cozinhas, banheiros e outros locais que tenham necessidade de aquecimento. Na realidade, aproveitando a energia térmica que normalmente é perdida para aquecimento e usando a mesma fonte de produção de frio pode-se gerar energia sem consumo extra, logo diminuindo o custo operacional com fontes primarias de calor retirando proveito de uma fonte de energia térmica disponíveis em grande centro urbanos, gerando uma grande economia. Palavras-Chaves: Energia Elétrica, Energia Térmica, Chuveiro Elétrico.

4 4 INTRODUÇÃO O presente trabalho faz parte de pesquisas baseadas em sites e livros, visando cumprir o TCC na especialização Técnica em Mecânica. O objetivo deste trabalho é apresentar o efeito do alto consumo de energia em nossas residências e em instituições públicas, mostrando também o impacto refletido em nosso cotidiano e como reaproveitar essa energia térmica desperdiçada pelos condensadores de ar condicionado para o aquecimento d agua em suas infinitas aplicações, principalmente no chuveiro elétrico que é um dos principais motivos pelo alto consumo de energia, e pelo valor elevado na conta de luz. O chuveiro elétrico pode representar entre 30% a 45% do valor da fatura de uma residência de uma família com uma média de quatro pessoas no final do mês. E, ao reaproveitar a energia térmica que sai do condensador para aquecer a água no chuveiro esses 45% de gastos podem ser reduzidos significativamente.

5 5 DESENVOLVIMENTO Objetivo geral Traçar uma maneira de aproveitar 100% da energia produzida pelo equipamento térmico, diminuindo o consumo de energia em residências e instituição. Objetivos específicos Aplicar a energia térmica produzida pelo condensador do sistema de refrigeração, em uma serpentina fazendo com que o calor produzido seja transferido para um tanque de abastecimento de água, reaproveitando esse calor, para os locais onde é necessária a utilização de água aquecida. Justificativa A escolha do tema é pertinente, pois o nosso sistema apresenta um desempenho com 100% de eficiência tanto para o aquecimento como para o resfriamento sem o uso de outras fontes, aproveitando toda energia desperdiçada no arrefecimento do sistema gerando uma economia bastante significativa. Problematização O chuveiro elétrico é o principal consumidor de energia dentro de residências e de outras instituições e apresenta 45% do consumo de energia. Metodologia Nosso trabalho implica na pesquisa de cunho interpretativo, foi baseada em pesquisas de livros, sites e pesquisas de campo juntado experiências e entendimento sobre o assunto e formando um projeto e o corpo físico, que é composto de um aparelho de ar condicionado, uma Serpentina, e um tanque com água, onde o ar que sai do condensador aquece a serpentina, que por sua vez aquece o recipiente com água, sendo utilizado por determinados fins. Problemática Para entendermos bem sobre o SISTEMA DE APROVEITAMENTO TÉRMICO DINÂMICO entenderemos primeiro o que é energia térmica e o que é calor, e qual a sua diferença também veremos sobre energia elétrica, veremos quais os vilões de uma residência, e como calcular o consumo de cada aparelho.

6 6 1-Calor e Energia Térmica Se observarmos bem, podemos afirmar com toda certeza que a vida na Terra está diretamente ligada a uma forma de energia necessária para a sobrevivência de todos os seres vivos. Essa forma de energia é conhecida como calor. De fato, vemos que o Sol aquece nosso planeta na medida exata a fim de garantir que as diversas formas de vida sejam preservadas. Mas e se a Terra estivesse um pouco mais distante ou um pouco mais perto do Sol, o que aconteceria? Se isso acontecesse, talvez a história sobre a sobrevivência na Terra seria outra, ou talvez nem houvesse vida. Então, caso manipulemos o calor temos a possibilidade de produzir aquecimento, resfriamento e mudanças no estado físico dos corpos. Temos a plena convicção de que os corpos, os materiais, etc., são formados por diversas partículas e essas partículas estão em constante movimentação. A agitação das partículas que constituem um corpo se associa a uma energia cinética média, ou seja, energia do movimento, que recebe a denominação de energia térmica. Sendo assim, podemos dizer que quanto maior for a temperatura de um corpo, maior será a agitação de suas moléculas (ou partículas) e, portanto, maior também será a sua energia térmica. Na Termodinâmica vemos que quando colocamos dois corpos de temperaturas diferentes (um corpo frio e um corpo quente) em um mesmo recipiente, isolado do meio, com o decorrer do tempo, perceberemos que as temperaturas irão se igualar. Esse fato acontece porque um corpo de maior temperatura que é, maior agitação térmica transfere calor para o corpo de menor temperatura, por tudo isso, transfere energia térmica. A energia térmica em movimento (trânsito), provocada pela diferença de temperatura entre dois corpos, é denominada calor. É muito comum ouvirmos algumas expressões cotidianas associando calor a altas temperaturas. Por exemplo, em um dia quente, usa-se a expressão Hoje está calor!. Porém, corpos com baixas temperaturas também possuem calor, só que em menor quantidade. Isso quer dizer apenas que a agitação das moléculas é menor em corpos frios. A unidade de medida mais utilizada para o calor é a caloria (cal), mas a sua unidade no Sistema Internacional é o Joule (J). A caloria é definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1ºC. A relação entre a caloria e o Joule é dada por: 1 cal = 4,186 J

7 7 2-Energia Elétrica 2.1-Fontes de Energia Elétrica e Seus Impactos no Meio Ambiente O aumento do consumo de energia elétrica, em razão do consumismo acelerado, tem provocado a construção de mais usinas hidrelétricas. Elas não poluem o ar, mas causam enormes impactos ambientais, em virtude da quantidade de água represada a fim de mover as turbinas na produção da energia elétrica. Uma alternativa seria a construção de usinas nucleares, mas esse tipo de usina produz um lixo radioativo que deve ser armazenado em locais remotos, além de ser muito perigosa, podendo causar catástrofes de grandes proporções (por exemplo, o acontecido em Chernobyl). A energia eólica vem sendo implantada, principalmente nas cidades litorâneas, pois é uma energia que usa a força dos ventos para produzir energia elétrica, sendo considerada uma energia pura. 3 - Energias Elétricas em Residências 3.1-Vilões do consumo de energia elétrica em Residências Economizar energia elétrica é bom para o bolso e para o meio ambiente. O problema é que as residências de hoje estão repletas de aparelhos elétricos, mesmo as mais modestas. Saber quais são os vilões do consumo não é muito simples. Existem aparelhos de consumo alto, mas que são pouco usados durante o mês. Por outro lado, existem aparelhos de baixo consumo, mas que ficam ligados ininterruptamente, por isso, só fazendo o cálculo na ponta do lápis para saber onde estão os ralos de consumo de energia elétrica em uma residência.

8 Residências econômicas Nessa casa, os maiores consumos ficam por conta do chuveiro elétrico (73,50kWh), das lâmpadas (46,05 kwh) e da geladeira de uma porta (29,70 kwh). Os equipamentos de Informática consomem 24,05 kwh, bem mais do que a TV de tubo 29 (16,50 kwh). Aparelhos elétricos Quantidade Consumo mensal (kwh) CHUVEIRO ELÉTRICO 1 73,50 GELADEIRA DE UMA PORTA 1 29,70 LÂMPADA INCANDESCENTE 40 W 3 18,00 TV EM CORES CRT ,50 COMPUTADOR DESKTOP (SEM MONITOR) 1 12,00 LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA 23 W 3 10,35 MULTIPROCESSADOR 1 8,40 LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA 15 W 3 6,75 LÂMPADA FLUORESCENTE TUBULAR 20W 2 6,00 LAVADORA DE ROUPAS 1 6,00 FERRO ELÉTRICO AUTOMÁTICO 1 5,00 LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA 11W 3 4,95 ESTABILIZADOR 300 VA (CONSUMO INTERNO) 1 4,80

9 9 MONITOR LCD ,80 GRILL/SANDUICHEIRA 1 3,75 SECADOR DE CABELOS PEQUENO 1 3,60 RÁDIO RELÓGIO 1 3,60 APARELHOS EM STAND BY 1 2,85 MODEM ADSL 1 2,40 RÁDIO ELÉTRICO PEQUENO 1 2,40 LIQUIDIFICADOR 1 1,35 APARELHO DE SOM PORTÁTIL 1 1,20 VÍDEOGAME 1 0,90 BATEDEIRA 1 0,38 FURADEIRA 1 0,35 CARREGADOR DE PILHAS 1 0,25 DVD PLAYER 1 0,20 FOGÃO A GÁS COMUM 1 0,18 ALISADOR DE CABELOS 1 0,08 BARBEADOR/DEPILADOR/MASSAGEADOR 1 0,06 IMPRESSORA DESKJET PEQUENA 1 0,05 TOTAL 230,35

10 Como calcular o consumo de energia. Saiba como calcular o consumo de energia elétrica dos aparelhos que você tem em casa, podendo assim economizar eletricidade e dinheiro. O consumo de energia elétrica dos aparelhos de uma casa é obtido aplicando a seguinte expressão: Onde k: quilowatt. Hora, t: tempo em que o produto permanece ligado, P: potência do aparelho (encontrado nos manuais e na etiqueta do aparelho) Todo aparelho possui uma potência que é dada em watts (W), e quanto mais tempo ligado maior o consumo de energia elétrica. Vamos observar a seguinte situação: Um televisor de 29 polegadas possui em média uma potência de 200 watts. Considerando que ele fique ligado 6 horas diárias, calcule seu consumo em kwh mensal. 6 horas diárias 6 x 30 = 180 horas mensais Temos que: T = 180 horas mensais P = 200 K = (180*200)/1000 K = 36000/1000 K = 36 kwh mensal O televisor irá consumir 36 kwh no período. Para saber o custo em dinheiro, basto multiplicar o consumo do período pelo valor do kwh, que vem identificado no talão de energia elétrica da concessionária fornecedora.

11 11 Vamos analisar o consumo de energia elétrica do vilão de uma residência, o chuveiro elétrico. Potência: 4000 watts Tempo: 10 minutos diários (correspondentes a 10 x 30 = 300 minutos mensais = 5 horas) K = (4000 * 5)/1000 K = 20000/1000 K = 20 kwh O chuveiro ira consumir 20 kwh durante os 30 dias (para uma pessoa com um banho de 10 minutos).uma família padrão com quatro pessoas com dois banhos diários de 10 minutos, o consumo mensal será de 160 kwh. 4- Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico. O calor flui naturalmente de uma condição de alta temperatura para baixa temperatura. As bombas de calor, entretanto são dispositivos capazes de forçar o fluxo de calor na direção contrária a natural, usando uma quantidade de energia para isso, que pode ser elétrica ou reaproveitada de algum processo que rejeita fluido a alta temperatura. Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico podem transferir calor de fontes de calor naturais, que se encontram no meio ambiente, como ar, solo, água ou resíduos industriais e domésticos, de prédios ou mesmo aplicações industriais. Para realizar este transporte de energia a partir de uma fonte fria para a fonte quente é necessária energia externa para acionar a bomba de calor, através do compressor. Teoricamente, o calor total fornecido pela bomba de calor é igual ao calor extraído da fonte de calor, mais a quantidade de energia fornecida. Como as bombas de calor consomem menos energia motriz do que os sistemas de aquecimento convencionais, eles são uma tecnologia importante para a redução das emissões de gases que prejudicam o meio ambiente, tais como o dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio (NOx). No entanto, o impacto ambiental global das bombas de calor elétricas, depende muito de como a eletricidade é produzida. As bombas de calor acionadas por eletricidade a

12 12 partir de energia hídrica ou energia renovável, por exemplo, podem reduzir as emissões de forma mais significativa, do que a eletricidade gerada por carvão, petróleo ou usinas de energia movidas a gás. O Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico também pode ser utilizado para o arrefecimento, o calor é então transferido na direção oposta a partir da aplicação que é arrefecido, para um ambiente a uma temperatura mais elevada. Em determinadas situações, o excesso de calor do resfriamento é usado para atender a uma demanda simultânea de calor. Na aplicação discutida neste trabalho será abordado o uso de um Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico transferindo calor absorvido do ar à temperatura ambiente, para um sistema periférico que utiliza a energia útil pra gerar calor. Aquecimento de espaços aquecimento e arrefecimento de correntes de processo aquecimento de água para lavagem, saneamento e limpeza produção de vapor secagem/desumidificação evaporação destilação Concentração: Quando o Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico é usado em processos de secagem, evaporação e destilação, o calor é reciclado no processo. Para aquecimento de espaços, aquecimento de fluxos de processo e produção de vapor, o Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico utilizam resíduos de fontes de calor entre 20ºC e 100ºC (como nosso caso, ar ambiente). Os fluxos de calor rejeitado mais comuns na indústria são de refrigeração de água, efluentes, condensado, umidade e calor do condensador de instalações de refrigeração. Devido à variação no fornecimento de calor residual, pode ser necessário o uso de grandes tanques de armazenamento para a acumulação e para assegurar um funcionamento estável do Sistema de Aproveitamento térmico Dinâmico.

13 13 De acordo com o Heat pump Centre, muitas indústrias precisam de água quente, processo na faixa de temperatura 40-90ºC, e muitas vezes têm uma demanda significativa de água quente na mesma faixa de temperatura para fins de lavagem, de saneamento e de limpeza que podem ser atendidas por Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico. As bombas de calor também podem ser parte de um sistema integrado que fornece tanto o arrefecimento como aquecimento. As indústrias também consomem grandes quantidades de vapor de baixa, média e alta pressão na faixa de temperatura de ºC. O vapor é usado diretamente em processos industriais e para a distribuição do calor. O Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico, atuais de alta temperatura podem produzir vapor até 150ºC, considerando os sistemas abertos e semiabertos MVR, Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico de compressão de ciclo fechado, sistemas em cascata e alguns transformadores de calor. Circuito de Aquecimento de Água Como mencionado anteriormente, o nosso Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico tem como objetivo fornecer calor a outro sistema que utilizará essa energia útil para produzir calor para chuveiros e água quente na lavanderia e cozinha. Esta água a temperatura ambiente (aproximadamente 25 c) e pressão atmosférica ao nível do mar. E fornecerá água numa temperatura média de 40 C. Para que essa troca de calor seja possível é necessário um sistema anexo à Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico, de maneira que o calor rejeitado para o ambiente pelo condensador seja conduzido até a ao acumulador água, possibilitando a elevação da temperatura da água que entra a determinada temperatura de saída requerida. O circuito em anexo teria uma interface com o condensador de forma a permitir a troca de calor com o refrigerante em alta temperatura. Água será o fluído que realizará a troca de calor e será bombeada por um sistema de tubulações a determinada vazão, de maneira que recebe. Energia útil do Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico e transmita a mesma para o sistema com as menores perdas possíveis. Um Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico é um dispositivo que aplica trabalho externo para extrair uma quantidade do calor de um reservatório quente e entregar o calor a um reservatório frio.

14 14 Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico operam recuperando calor de uma fonte externa (p. ex: o ar), o que permite utilizar uma quantidade reduzida de energia para o seu funcionamento, podendo alcançar reduções no consumo de energia de até 80%. Dizemos normalmente, que o Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico funciona como se fosse um ar condicionado, só que ao contrário. Os trocadores ou Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico são equipamentos que realizam trocas térmicas entre dois fluídos com emprego de TRABALHO externo, independente da temperatura dos fluídos. Na maioria das aplicações o equipamento transfere calor do fluído de menor temperatura para o fluido de maior temperatura. Exemplos de Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico, Refrigeradores, Freezer, ar condicionado, entre outros. Há um conceito muito errado no mercado que afirma que o aquecimento de uma piscina, com um Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico, é um processo muito lento e por isso leva-se muito tempo para aquecer uma piscina. Na realidade, quando empregamos qualquer tipo de aquecedor, quer seja um Trocador para Piscina, um Aquecedor a Gás, um Aquecedor solar ou um Aquecedor Elétrico convencional de resistência, desde que todos forneçam a mesma potência (energia por unidade de tempo), uma mesma quantidade de água, nas mesmas condições, aquecerá igualmente com qualquer um dos equipamentos. Esta falsa impressão ocorre por que sendo a Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico uma máquina muito mais sofisticada, acaba sendo um pouco mais cara. Sendo assim para certa quantia de dinheiro gasto em um trocador de calor com potência da ordem de Kcal/h, por exemplo, podemos comprar um aquecedor elétrico convencional (com resistência) com muito mais potência, porém, muito menos eficiente. Assim, ele poderá aquecer uma mesma porção de água em um tempo um pouco menor, mas com certeza terá um custo de manutenção de quatro a seis vezes maiores (consumo de energia). Então, se analisarmos todos os itens e compararmos os equipamentos verão que, basta entender o funcionamento e como programar o aquecimento do trocador de calor, para que tenhamos muito mais eficiência e economia de energia. Sem contar que, o custo do trocador acaba sendo superado em pouco tempo pela energia excedente gasta com um sistema de aquecimento elétrico convencional.

15 15 Desenho ,7 1 DESCRIÇÃO 1. COMPRESSOR 2. BOMBA DE AGUA 3. SERPENTINA/CONDENSADOR/ALETAS 4. ACUMULADOR 5. PAINEL DE CONTROLE 6. RESERVATÓRIO DE ÀGUAS 7. CHUVEIRO 8. MANGUEIRA DE RETORNO 9. SENSORES

16 16 Conclusão Concluímos que através do Sistema de Aproveitamento Térmico Dinâmico, é possível fazer uma grande economia na conta de luz, eficaz contra o desperdício de calor jogado fora por aparelhos como: Ar condicionado, Geladeira, Freezer e Câmaras Frigorificas. E por contribuir com a Natureza, evitando assim de jogar calor no aquecimento global.

17 17 Bibliografia. NÓE, Marcos. Consumo de Energia Elétrica. Disponível em: MARQUES, Domiciano. Relação entre energia térmica e calor. Disponível em: RADAMÉS. Vilões do consumo de energia elétrica em casa. Disponível em: