Análise de especificação de chuveiro elétrico

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Análise de especificação de chuveiro elétrico RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO Apresentado na disciplina de Medições Térmicas ENG03108 Diogo Schmitt Natanael Bonato Paulo Tobo Rodrigo Soares Porto Alegre, junho de 2007.

2 2 Sumário Resumo Introdução Apresentação do problema Efeito Joule Chuveiro Elétrico Normas Aplicáveis Descrição do Chuveiro e das Instalações Funcionamento Ensaios Medições de Vazão Medições Elétricas Medições Térmicas Cálculos Determinação da Potência Elétrica Determinação do Consumo de Energia Elétrica Consumo Mensal Mínimo Consumo Mensal Máximo Conclusão...10 Referências bibliográficas...10 Anexos...11 Anexo

3 3 Resumo Neste trabalho são realizadas diversas medições de temperaturas e vazões de um chuveiro elétrico visando analisar seu funcionamento e especificação técnica. Também são realizados cálculos de incerteza para apresentação dos resultados. As medições e cálculos são realizados seguindo as normas ABNT aplicáveis a chuveiros elétricos. Como resultados são apresentados valores para potência e eficiência elétrica, onde podemos verificar que o chuveiro consome um pouco mais de energia que os chuveiros comuns, porém possibilitando um banho mais confortável. 1. Introdução A validação de um projeto de chuveiro elétrico para uso doméstico necessita estar em conformidade com uma série de normas regulamentas pela ABNT. Além disso, criam-se especificações que são passadas de forma clara para o consumidor final. Nesse contexto, propôs-se fazer um trabalho para verificar as especificações de um modelo de chuveiro elétrico fora do convencional, cujo diferencial é um reservatório interno para armazenar e propor um banho mais confortável. Assim, o objetivo desse trabalho é comparar os valores de especificação de temperaturas e vazão determinadas pelo fabricante a partir da medição com sensores apropriados e termômetros. Através do uso da norma ABNT, serão realizados ensaios e medições conforme especifica a regulamentação brasileira, como por exemplo, a eficiência elétrica e consumo do chuveiro. 2. Apresentação do problema 2.1 Efeito Joule Um condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece. Assim, um chuveiro, um ferro elétrico, um forno elétrico etc., consistem essencialmente em uma resistência que é aquecida ao ser percorrida por uma corrente elétrica. Este fenômeno foi estudado pelo famoso cientista James P. Joule e, em homenagem a ele, é denominado efeito Joule. Para certo aparelho, a tensão é sempre a mesma durante o seu funcionamento. O chuveiro é um exemplo disso. Mas mesmo assim, podem-se obter diferentes potências (verão e inverno) sem variarmos a tensão. Isso vai acontecer se a corrente no resistor for diferente, já que a tensão da fonte é sempre a mesma. A relação entre a potência, a corrente e a tensão pode ser expressa pela equação: P=I.U (Potência = corrente x tensão). O controle do aquecimento nos chuveiros, lâmpadas e outros aparelhos resistivos são realizados através do valor da corrente elétrica que passa no resistor. Ao dificultar a passagem da corrente no resistor (resistência maior), diminuímos a corrente, e vice versa. Para se obter diferentes graduações no aquecimento de certo tipo de aparelho resistivo, o fabricante ou muda a espessura ou muda o comprimento do resistor Chuveiro Elétrico Desenvolvido no Brasil, na década de 40, o chuveiro elétrico procurou substituir neste país a fonte principal de calor uma vez que redes de gás eram praticamente inexistentes nas grandes cidades ao contrário da energia elétrica.

4 4 Com a rápida urbanização assistida no Brasil desde então, esta solução foi sendo a principal adotada, embora convivesse com outras formas de aquecimento da água. Sua tecnologia foi sendo aperfeiçoada de forma a possibilitar uma maior segurança no uso uma vez que as ligações mal-feitas geravam a possibilidade de acidentes e casos de eletrocussão foram registrados. Com uma tecnologia bastante simples, o chuveiro elétrico consiste basicamente no uso de uma resistência que, ao aquecer, esquenta imediatamente a água, que passa em torno. Com a passagem da água por essa resistência, que se trata basicamente de um fio metálico em forma de mola e está ligado à rede elétrica aquecerá a água, pois o fio metálico aquece com a passagem de corrente elétrica. Para que a energia elétrica seja ligada somente quando é aberta a vazão de água, um diafragma no interior do chuveiro que se eleva quando a água passa e fecha os contatos elétricos do chuveiro. (Fonte: Normas Aplicáveis Todo equipamento, instrumento, produto em geral a ser disponibilizado para o uso comercialmente necessariamente deve estar de acordo com normas regulamentas por órgãos certificados. No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) especifica diversas normas a serem utilizadas para validação e verificação de especificações de aquecedores elétricos em geral: aquecedores, chuveiros, torneiras, etc. No anexo 1, segue uma tabela listando o título de cada norma, a que equipamentos se aplicam e sua identificação junto à ABNT. Para este trabalho serão utilizadas algumas das normas listadas a serem levadas em conta nos ensaios do chuveiro elétrico em estudo. 3. Descrição do Chuveiro e das Instalações O chuveiro em estudo tem como principal característica a de oferecer um banho confortável e de qualidade com boa vazão no mesmo nível dos chuveiros abastecidos por sistema a gás. A grande vantagem deste chuveiro em relação ao chuveiro a gás é a fácil instalação, podendo substituir o chuveiro comum (ducha simples) que o usuário possui no box. A figura a seguir mostra como ficaria o chuveiro instalado. Figura 01: Carcaça frontal A instalação do chuveiro é muito simples em comparação a uma instalação a gás. Abaixo é mostrada a seqüência de montagem e instalação: 1 Fixação na parede: Após a retirada do chuveiro antigo, fixa-se através de parafusos e buchas o novo chuveiro;

5 5 2 Conexão com a rede de água: É utilizada a mesma entrada de água do chuveiro antigo; 3 Fazer a ligação elétrica: É a parte mais delicada da instalação, podendo o chuveiro ser instalado em 110V ou 220V monofásicos Funcionamento O chuveiro Nossa Ducha funciona com um reservatório com capacidade de 20 litros, onde a água é aquecida até uma temperatura pré-determinada por um termostato. Ele utiliza uma resistência elétrica que fornece energia através de calor para água do reservatório (mostrada na foto abaixo). Figura 02: Conectores da resistência É recomendado pelo fabricante que o termostato seja ligado alguns minutos antes da utilização para o banho, para que a água do reservatório atinja a temperatura desejada. O termostato só poderá ser ligado se houver água no interior do reservatório, pois não havendo água a resistência poderá ser danificada. Após esse tempo a água será dosada nos registros água fria e água quente conforme a preferência do usuário. Água quente Água fria Figura 03: Registros quente e fria

6 6 Figura 04: Termostato 4. Ensaios Foram realizadas medições de vazão e temperatura da água na entrada do reservatório e também na saída do crivo do chuveiro. Também foram realizadas medidas na entrada da energia elétrica que alimenta o chuveiro. Esses ensaios tiveram como objetivo a verificação das especificações iniciais fornecidas pelo fabricante Medições de Vazão Para se medir a vazão do chuveiro foi utilizado um cone plástico para captação de toda a água de saída do chuveiro. Essa água era armazenada em um recipiente possuindo três marcações de volume: 1,6L, 3,2L e 4,8L. Para calibração das marcações de volume, foi realizado o processo de pesagem, em uma balança, do recipiente com água dentro, assumindo-se a massa especifica da água como sendo 1000kg/m 3, o que faz corresponder 1 litro a 1kg. Figura 05: Saída de água do chuveiro

7 7 Figura 05:Recipiente com marcações de volume As medições se deram para três casos: água fria, água quente e água quente misturada com água fria, conforme tabela 1: Tabela 1 Medições de vazão de água para 3 condições de água de admissão. Água Fria Volume Tempo 1 Vazão 1 Tempo 2 Vazão litros 18,7 segundos 0,085 l/s 17,9 segundos 0,089 l/s 3.2 litros 37,8 segundos 0,084 l/s 36,1 segundos 0,088 l/s 4.8 litros 55,7 segundos 0,086 l/s 54,0 segundos 0,088 l/s Média da vazão 0,086±0,002 l/s Água Quente Volume Tempo 1 Vazão 1 Tempo 2 Vazão litros 19,4 segundos 0,082 l/s 19,1 segundos 0,083 l/s 3.2 litros 38,3 segundos 0,083 l/s 37,8 segundos 0,084 l/s 4.8 litros 56,4 segundos 0,085 l/s 56,5 segundos 0,084 l/s Média da vazão 0,084±0,002 l/s Água fria misturada com água quente Volume Tempo 1 Vazão 1 Tempo 2 Vazão litros 18,5 segundos 0,085 l/s 18,0 segundos 0,089 l/s 3.2 litros 36,7 segundos 0,084 l/s 36,1 segundos 0,088 l/s 4.8 litros 55,4 segundos 0,086 l/s 55,0 segundos 0,088 l/s Média da vazão 0,087±0,002 l/s 4.2 Medições Elétricas Para as medições de parâmetros elétricos utilizou-se um multímetro de alicate para medir a corrente demandada pelo chuveiro com a tensão do sistema. Foram feitas quatro medições de corrente elétrica e tensão, conforme mostra a tabela 2, variando-se quatro posições no termostato. Todas as medições se mantiveram as mesmas para as quatro posições: corrente de elétrica de 26,1A e 203V de tensão elétrica. Tabela 2 Medições de corrente elétrica e da tensão da rede. Posição Termostato Corrente Elétrica (A). 26,1 26,1 26,1 26,1 Tensão (V)

8 Medições Térmicas As medições das temperaturas na entrada da água do chuveiro foram obtidas através de um sensor tipo PT100 instalado na tubulação antes da entrada para o chuveiro e com indicador em display digital. Para se certificar da temperatura de entrada estar correta, utilizou-se um termômetro de vidro e mediu-se a temperatura diretamente da caixa de água do laboratório, obtendo diferença de apenas 0,1 C. As figuras 06 e 07 mostram o mostrador digital indicativo da temperatura da água na entrada e o sensor instalado na tubulação de entrada. Figura 06: Indicador da temperatura de entrada Figura 07: Tomada da temperatura de entrada Para medição da temperatura na saída da água do chuveiro, foi instalado um sensor tipo PT100 a alguns centímetros da boca de saída da ducha. Este sensor foi ligado a um indicador em display digital como mostrado nas figuras 08 e 09. Figura 08: Tomada de temperatura na saída Figura 09: Indicador da temperatura de saída

9 9 Foram realizadas medidas em quatro faixas de temperatura conforme posições do termostato e tomado as temperaturas de entrada e saída, como mostra a tabela Tabela 3 Medidas de temperatura na entrada e na saída da água. Posição Termostato Temperatura Entrada 20,4ºC 20,4ºC 20,4ºC 20,4ºC Temperatura Saída 25ºC 28,2ºC 38,4ºC 54ºC Posição Termostato Temperatura Entrada 21,2ºC 21,2ºC 21,2ºC 21,2ºC Temperatura Saída 26ºC 29,1ºC 39,4ºC 55,1ºC Posição Termostato Temperatura Entrada 19,4ºC 19,4ºC 19,4ºC 19,4ºC Temperatura Saída 24,7ºC 28,0ºC 37,5ºC 53,1ºC 5. Cálculos Os cálculos utilizados foram baseados nas normas da ABNT NBR e ABNT NBR que regulamentam como determinar potencia elétrica e consumo de energia elétrica em chuveiros elétricos Determinação da Potência Elétrica Conforme mencionado na norma no item 3.2.5, a fórmula a ser utilizada para o cálculo da potência é definida como: P = (E n ². I )/ E (1) onde: P = potência elétrica referida à tensão nominal, em W E n = tensão nominal: 127 ou 220V E = tensão medida, em V I = corrente elétrica medida, em A. Considerando E n igual à 220V, E igual à 203V e I igual a 26,1A, determinou-se a potência elétrica de 6222,8W Determinação do Consumo de Energia Elétrica Consumo Mensal Mínimo Segundo a norma NBR deve-se regular o fornecimento de água para vazão de 0,05 L/s e acionar o dispositivo de alimentação elétrica na potência elétrica menor possível. Além disso é necessário fazer a tomada de tempo necessária para se obter uma variação de no mínimo 10 C, como também a corrente e a tensão elétrica. Para o cálculo mensal mínimo de energia elétrica utiliza-se a seguinte fórmula: W = E n ².I.(t 1 +t 2 )/ E (2) onde: W = consumo mensal mínimo, em kwh E n = tensão nominal: 127 ou 220V

10 10 E = tensão medida, em V I = corrente elétrica medida, em A t 1 = tempo medido de aquecimento da água, em segundos t 2 = 480 segundos, tempo padrão de duração do banho (8 min). Para uma temperatura ambiente de 20,4 C, o tempo médio necessário para se obter um aquecimento de 10 C (para 30,4 C) foi de 3 minutos e 53 segundos. Através da fórmula acima, chegou-se a um consumo mínimo mensal de 36,97 kwh Consumo Mensal Máximo Para o cálculo de consumo mensal máximo, tomaram-se a temperatura de entrada e a temperatura de saída, sendo esta com o dispositivo comutado para maior potência elétrica do chuveiro. No caso, foi posicionado o termostato na maior potência indicada e mediu-se a maior temperatura que o chuveiro pudesse atingir. Os valores obtidos foram de 20,5 C para temperatura de entrada e 56 C para temperatura de saída. Utilizou-se o mesmo equacionamento do cálculo de Consumo Mensal Mínimo, no entanto o tempo t 1 para aquecimento máximo foi de 10 minutos e 37 segundos. Chegou-se a um consumo mensal máximo de 57,92kWh. 6. Conclusão A aplicação das normas no estudo de eficiência do chuveiro mostrou que este equipamento tem um consumo médio bastante elevado de energia elétrica em comparação com os chuveiros comuns. Deveria ser realizado um estudo de componentes do chuveiro para encontrar materiais que possibilitassem maior eficiência térmica em relação ao custo desses elementos, visto que foram detectados diversos problemas durante os testes. Outro ponto interessante está relacionado com a medição da temperatura de aquecimento da água a partir de um sensor colocado junto à resistência elétrica, o que permitiria uma medição mais eficiente, não sendo possível nesse trabalho pela provável inutilização do equipamento. Referências bibliográficas SCHNEIDER, PAULO S., Termometria e Psicrometria (Polígrafo), Departamento de Engenharia Mecânica UFRGS, SCHNEIDER, PAULO S., Incerteza de Medição e Ajuste de Dados (Polígrafo), Departamento de Engenharia Mecânica UFRGS, NBR 12087: Chuveiros Elétricos Determinação da Potência Elétrica. NBR 12089: Chuveiros Elétricos Determinação do Consumo de Energia Elétrica.

11 11 Anexos Anexo 1 Normas aplicáveis a instalações elétricas, hidráulicas e de chuveiros residenciais. TÍTULO ITEM AVALIADO NORMA / ÓRGÃO REGULAMENTADOR ALINHAMENTO DAS ROSCAS DE ENTRADA E SAÍDA ABNT NBR 14150; ABNT REGISTRO DE PRESSÃO E REGISTRO DE GAVETA DE REGISTROS NBR COEFICIENTE (K) DE PERDA DE CARGA DE REGISTRO DE PRESSÃO REGISTRO DE PRESSÃO ABNT NBR COMPORTAMENTO DA JUNTA ELÁSTICA PARA ÁGUA TUBO DE PVC PBA E DEFOFO PARA INFRA-ESTRUTURA (ÁGUA) ABNT NBR 5685 COMPORTAMENTO DA JUNTA ELÁSTICA PARA TUBOS DE PVC PARA INSTALAÇÃO PREDIAL (ESGOTO) E ESGOTO INFRA-ESTRUTURA (ESGOTO COLETOR) ABNT NBR 5685 COMPORTAMENTO DA JUNTA SOLDÁVEL TUBO DE PVC PARA INSTALAÇÕES PREDIAIS (ÁGUA) ABNT NBR 7371 CONSUMO MENSAL MÁXIMO DE ENERGIA ELÉTRICA ABNT NBR 12089; ABNT DE APARELHOS ELÉTRICOS FIXOS DE AQUECIMENTO CHUVEIRO, TORNEIRA E AQUECEDOR NBR INSTANTÂNEO DE ÁGUA CONSUMO MENSAL MÍNIMO DE ENERGIA ELÉTRICA DE APARELHOS ELÉTRICOS FIXOS DE AQUECIMENTO INSTANTÂNEO DE ÁGUA CORRENTE DE FUGA CORRENTE DE FUGA DE APARELHOS ELÉTRICOS FIXOS DE AQUECIMENTO INSTANTÂNEO DE ÁGUA DESEMPENHO CHUVEIRO, TORNEIRA E AQUECEDOR CHUVEIRO, TORNEIRA E AQUECEDOR ABNT NBR 12089; ABNT NBR ABNT NBR 12090; ABNT NBR DESVIO DO CONTROLE DE TEMPERATURA AQUECEDOR DE ACUMULAÇÃO IEC DIREÇÃO E DISPERSÃO DO JATO DE TORNEIRAS DE PRESSÃO TORNEIRA DE PRESSÃO ABNT NBR ESTANQUEIDADE À PRESSÃO INTERNA DE ABNT NBR 14150; ABNT REGISTRO DE PRESSÃO E REGISTRO DE GAVETA REGISTROS NBR ESTANQUEIDADE À PRESSÃO INTERNA DE TORNEIRAS DE PRESSÃO TORNEIRA DE PRESSÃO ABNT NBR FATOR DE MISTURA AQUECEDOR DE ACUMULAÇÃO IEC INCREMENTO MÁXIMO DE TEMPERATURA DE ABNT NBR 12088; ABNT APARELHOS ELÉTRICOS FIXOS DE AQUECIMENTO CHUVEIRO, TORNEIRA E AQUECEDOR NBR INSTANTÂNEO DE ÁGUA MARCAÇÕES E INSTRUÇÕES PERDA POR 24 HORAS AQUECEDOR DE ACUMULAÇÃO IEC POTÊNCIA ABSORVIDA POTÊNCIA ELÉTRICA DE APARELHOS ELÉTRICOS ABNT NBR 12087; ABNT CHUVEIRO, TORNEIRA E AQUECEDOR FIXOS DE AQUECIMENTO INSTANTÂNEO DE ÁGUA NBR PRESSÃO DE FUNCIONAMENTO DE APARELHOS ELÉTRICOS FIXOS DE AQUECIMENTO INSTANTÂNEO CHUVEIRO ABNT NBR DE ÁGUA PRESSÃO HIDROSTÁTICA PRESSÃO HIDROSTÁTICA INTERNA TUBO DE PVC RÍGIDO PARA INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS PREDIAIS E INFRA-ESTRUTURA ABNT NBR 5683 PRODUÇÃO DE ÁGUA QUENTE AQUECEDOR DE ACUMULAÇÃO IEC RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DIAMETRAL TUBO DE CONCRETO ABNT NBR 8890 RESISTÊNCIA AO CALOR E FOGO RESISTÊNCIA AO ENFERRUJAMENTO RESISTÊNCIA AO TORQUE DE ACIONAMENTO EXCESSIVO DE TORNEIRAS DE PRESSÃO TORNEIRA DE PRESSÃO ABNT NBR RESISTÊNCIA AO TORQUE DE INSTALAÇÃO DE TORNEIRAS DE PRESSÃO TORNEIRA DE PRESSÃO ABNT NBR RESISTÊNCIA AO TORQUE DE MONTAGEM DE ABNT NBR 14150; ABNT REGISTRO DE PRESSÃO E REGISTRO DE GAVETA REGISTROS NBR RESISTÊNCIA AO TORQUE DE OPERAÇÃO DE ABNT NBR 14150; ABNT REGISTRO DE PRESSÃO E REGISTRO DE GAVETA REGISTROS NBR RESISTÊNCIA AO USO DE REGISTRO DE GAVETA REGISTRO DE GAVETA ABNT NBR RESISTÊNCIA AO USO DE REGISTRO DE PRESSÃO REGISTRO DE PRESSÃO E TORNEIRA DE PRESSÃO ABNT NBR RESISTÊNCIA DA MARCAÇÃO AO DESGASTE OU À ABNT NBR 12086; ABNT REMOÇÃO DE APARELHOS ELÉTRICOS FIXOS DE CHUVEIRO, TORNEIRA E AQUECEDOR NBR AQUECIMENTO INSTANTÂNEO DE ÁGUA RIGIDEZ DIELÉTRICA DE ELETRODUTO DE PVC ELETRODUTO DE PVC RÍGIDO IEC TEMPO DE REAQUECIMENTO AQUECEDOR DE ACUMULAÇÃO IEC TENSÃO SUPORTÁVEL TORQUE DE ACIONAMENTO DE TORNEIRAS DE PRESSÃO TORNEIRA DE PRESSÃO ABNT NBR VARIAÇÃO CÍCLICA DA TEMPERATURA AQUECEDOR DE ACUMULAÇÃO IEC VOLUME