ENGENHARIA NAS ESCOLAS: AQUECEDOR SOLAR DUARTE, Fábio Franklin Mendes 1 ; MANZAN JUNIOR, Willis Alcantra 2 ; MARIANO, Felipe Pamplona 3, OLIVEIRA FILHO, Ricardo Humberto de 4, OLIVEIRA, Ademyr Gonçalves de 5 Palavras-chave: aproveitamento de energia, aquecedor solar, transferência de calor. Introdução A Engenharia Térmica tem como objetivo estudar e utilizar os modos de transferência de calor para aproveitar, da melhor forma possível, a energia que provém de fontes que estão em diferentes temperaturas e conceber projetos que sejam eficazes na conversão dessa energia em outras formas, como por exemplo, energia elétrica e mecânica. Uma das fontes de energia que vem sendo cada vez mais aproveitada pela Engenharia Térmica é o Sol, o qual emite constantemente enormes quantidades de energia, que através do processo de radiação, atingem o planeta Terra. A energia solar é considerada uma fonte de energia limpa, uma vez que não prejudica o meio ambiente tanto no processo de implantação, como para ser utilizada. Se diferenciando dos combustíveis fósseis, os quais sempre deixam resíduos poluentes na atmosfera, ou mesmo da energia hidroelétrica que, na maioria das vezes, precisa alagar grandes regiões, ou desviar os cursos naturais * Resumo revisado por Ademyr Gonçalves de Oliveira. Título: O tema Engenharia nas escolas. Número: 36490. 1 Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharias Elétrica, Mecânica e de Computação, e-mail: fabiofranklinm@gmail.com 2 Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharias Elétrica, Mecânica e de Computação, e-mail: willismanzan@gmail.com 3 Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharias Elétrica, Mecânica e de Computação, e-mail: fpmariano@eeec.ufg.br 4 Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharias Elétrica, Mecânica e de Computação, e-mail: rhofilho@gmail.com
de rios, para a construção de barragens, causando impactos ambientais consideráveis. O aquecedor solar é um equipamento desenvolvido para aquecer água utilizando apenas a energia solar. Foi concebido para substituir, em parte, o consumo de energia elétrica, segundo Eletrobrás (COSTA, 2007), no ano de 2004, o consumo de energia elétrica no setor residencial foi de 78,5 twh. O setor residencial responde por 24% do consumo total de energia elétrica no país e, dentro deste setor, tem-se uma participação média de 26% do consumo total atribuído ao aquecimento de água, segundo a PROCEL (SOCIEDADE DO SOL, 2007). Conclui-se que apenas o aquecimento de água para banho em residências brasileiras é responsável por mais de 6,0% de todo o consumo nacional de energia elétrica (PRADO, 2007). O presente trabalho tem por finalidade explicar o princípio físico de funcionamento de um aquecedor solar de forma que alunos dos ensinos fundamental e médio tomem contato com a Engenharia Térmica e sejam estimulados a projetar um aquecedor solar de baixo custo (ASBC). Ele faz parte do projeto de extensão denominado Engenharia nas Escolas proposto pela Escola de Engenharias Elétrica, Mecânica e de Computação (EMC) da Universidade Federal de Goiás (UFG), o qual tem como objetivo maior, apresentar o tema Engenharia em escolas de ensinos fundamental e médio com o intuito de estimular estudantes a optarem, no futuro, por fazer cursos de graduação em engenharias. Metodologia Um sistema básico de aquecimento de água por energia solar é composto pela caixa d água, a qual tem a finalidade de abastecer o sistema, um reservatório térmico, o qual deve armazenar a água aquecida e as placas coletoras de energia 5 Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharias Elétrica, Mecânica e de Computação, e-mail: ademyr_go@eeec.ufg.br
solar, que são as responsáveis pela captura da energia solar e, consequentemente, pelo aquecimento da água. A Figura 1 (ALANO, 2005) mostra o esquema ilustrativo de um aquecedor solar. O sistema funciona da seguinte forma, a água fria que vem da caixa d água, se aquece quando passa pelos coletores e alimenta o reservatório térmico, mantendo-o sempre cheio. As placas coletoras são a parte responsável pela absorção da radiação solar. A energia solar, captada pelas placas, é transferida para a água, essa transferência ocorre através do processo de condução de calor. A água ao ser aquecida começa a circular no interior das tubulações do sistema, provocando o início de outro modo de transferência de calor, a convecção térmica (SOCIEDADE DO SOL, 2007). A circulação da água entre os coletores e o reservatório térmico em sistemas convencionais, se faz através do sistema natural chamado de circulação passiva. A água que está no coletor absorve mais calor que a água que esta no reservatório. Com esse aquecimento, há uma mudança da massa específica da água. Com a temperatura mais elevada a massa específica da água tende a diminuir, de forma que a água com temperatura mais baixa, e consequentemente maior massa específica, por efeito gravitacional, tende a descer do reservatório para o coletor. Impulsionando a água aquecida para o reservatório. Na sala de aula da própria escola, foi exposta a teoria simplificada de transferência de calor para alunos dos ensinos fundamental e médio, de forma a passar informações básicas sobre radiação e convecção. Na sequência, os alunos foram levados até o local onde o protótipo do aquecedor solar de baixo custo (ASBC) desenvolvido na EMC da UFG foi posicionado (pátio da escola). Esta posição foi escolhida de forma a aproveitar o máximo da energia solar disponível. O tempo da aula teórica (30 min) foi suficiente para o ASBC aquecer em 7 ºC 20 L de água. Dessa forma os alunos conseguiram sentir a diferença de temperatura entre a água fria (entrada do ASBC) e água
quente (reservatório do ASBC). Além disso, uma câmera térmica foi utilizada para a visualização do campo de temperatura no reservatório do aquecedor. Deixando claro o efeito de convecção térmica e a mudança de massa específica da água. a) b) Figura 2: a) Protótipo do aquecedor solar de baixo custo desenvolvido na EMC da UFG. b) Foto ilustrativa obtida pela câmera térmica. Por fim, uma discussão sobre economia de energia (COSTA, 2007), como obter água quente em locais onde não se tem energia elétrica e reciclagem de lixo foi realizada. Resultados e discussão Com a metodologia apresentada na seção anterior foi possível observar o interesse dos alunos, que assistiram a aula teórica, por compreender melhor os conceitos físicos de transferência de calor no momento em que sentiam a diferença de temperatura e observavam na câmera térmica o gradiente de temperatura dentro do reservatório. Motivando esses alunos a estudar, na escola, ou em um futuro curso de graduação em Engenharia, os conceitos físicos
apresentados ligados a transferência de calor. Com a discussão final proposta, muitos alunos conseguiram entender a função de um engenheiro, a qual é levar conforto (água quente) para a população, mesmo que seja uma população de baixa renda. Conclusões Depois de exposta a teoria sobre transferência de calor a alunos dos ensinos fundamental e médio. Foi apresentado um ASBC funcionando e juntamente com o auxílio de uma câmera térmica muitos desses alunos se sentiram motivados a estudar com mais detalhes esse fenômenos físicos. Além de entenderem a função de um engenheiro na sociedade, conceitos sobre economia de energia e reciclagem também foram discutidos. Com isso, foi despertado o interesse desses alunos em fazer um curso de graduação em engenharia. Referências Bibliográficas ALANO, J.A. Manual sobre a construção e instalação do aquecedor solar com descartáveis, 2005, Tubarão SC. COSTA, R. N. A. Viabilidades térmica, econômica e de materiais de um sistema solar de aquecimento de água a baixo custo para fins residenciais, 2007, Dissertação de mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal. PRADO, R.T.A; Arruda, L.B.; Barros, A.M.; Taborianski, V.M; Kawakita, C.Y.; Arantes, L.O., Tecnologias para construção habitacional mais sustentável, Finep 2386/04, 2007, São Paulo. SOCIEDADE DO SOL, Manual experimental de instrução de manufatura e uso do kit didático do aquecedor solar de baixo custo KD ASBC, 2007. SOCIEDADE DO SOL, Manual de manufatura e instalação experimental do ASBC aquecedor solar de baixo custo, 2009.