PERFORMACE DE UM AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO APLICADO A UMA PRISÃO PERFORMANCE OF A SOLAR WATER WARMING WITH LOW COST APPLIED TO THE PRISON SYSTEM José Aparecido Silva de Queiroz*, Adriano de Souza Marques**, João Francisco Escobedo*** Leandro Melo Campeiro**** ABSTRACT: Considering that the Brazilian Energy System is predominantly hydraulic and which is in a delicate situation because of the great droughts, it need initiatives that will help reduce consumption or in meeting new demands. Among these initiatives are solar collectors used to warm water. However, this system is well used at home and hotel; we need to encourage the use in public departments that require large amounts of warming water. Among them, there are prison systems, whose people there do not have water to take shower in a ideal condition.the objective of this study is to demonstrate the performance of low-cost solar warming system, made with polyethylene pipes that will attend this demand. Stand out that the whole process was conducted with the participation of inmates in a reintegration process. Key words solar water warming with low cost, spiral warming. INTRODUÇÃO Avaliando o Sistema Energético Brasileiro encontramos a predominância do sistema hidráulico em detrimento à aplicação de investimentos em geração e pesquisa voltadas para captação de energia alternativa. Tal opção traz como conseqüência a dificuldade de distribuição de energia em áreas mais remotas do território federal e os constantes cortes no fornecimento de energia de grandes centros urbanos em razão de crescentes períodos de estiagem. No que tange especificamente ao aquecimento de água para banho e processos de esterilização, encontramos ainda os chuveiros e torneiras elétricas como os mais utilizados para tal fim. Embora tímidas variações para este quadro tenham surgido no âmbito federal, como a entrega de casas populares por meio do Programa Minha Casa Minha Vida com sistema de aquecimento solar, devido ao alto custo dos equipamentos industrializados, bem como a falta de mão de obra qualificada para instalação e manutenção, pouco se tem ampliado este olhar para as demais residências ou órgãos públicos e privados como uma alternativa para o consumo e economia de energia, Entre os órgãos públicos que demandam grande quantidade de água quente, destacamos os estabelecimentos prisionais como os menos favorecidos nesta questão. De acordo com a Lei 7.210/84 que institui a Lei de Execução Penal, é dever do Estado prover ao preso a assistência material, compreendida como o fornecimento adequado de alimentação, vestuário e instalações higiênicas. No entanto o que aponta o Conselho Nacional de Justiça, através do documento intitulado Mutirão Carcerário Raio-x do Sistema Penitenciário Brasileiro (2008) é a total negligência da legislação, o não reconhecimento do cidadão privado de liberdade como sujeito de direitos e a absoluta ausência de condições dignas de sobrevivência. Em face desta realidade pretendemos, sem a pretensão de esgotar o tema, apresentar os coletores solares alternativos, também conhecidos como sistemas de aquecimento solar de baixo custo, como uma alternativa possível e economicamente viável para a obtenção de água quente no sistema prisional, visando além de minimizar as condições insalubres das unidades prisionais, fortalecer e garantir ao recluso o direito, também previsto na Lei de Execução Penal, à assistência educacional, uma vez que todo o processo de confecção, instalação e implantação dos aquecedores é desenvolvido em conjunto com os detentos. O Centro de Ressocialização em estudo, possui uma população carcerária de aproximadamente 220 sentenciados divididos em três alas, cumprindo penas em regime semiaberto, fechado e provisório. O objetivo de um Centro de Ressocialização é preparar o detento para ser reinserido no convívio social, seguindo padrões éticos e morais, assim também, como auxiliar na formação e qualificação destes, para que possam ser úteis a sociedade. Esta reinserção muitas vezes é inviabilizada pela falta de oportunidades sociais negligenciada a esta população decorrente do seu histórico de vida. Entre *Doutorando em Agronomia, UNESP/Botucatu Docente UNILINS-Lins, jqueiroz@unilins.edu.br **Doutorando em Agronomia, UNESP/Botucatu Docente IFSP-Birigui, adriano.marques@ifsp.edu.br ***Doutor em Física, USP/São Carlos Docente UNESP/Botucatu, escobedo@fca.unesp.br ****Mestrando em Engenharia Elétrica, UNESP/Bauru, leandro_campeiro@yahoo.com.br DOI 10.14684/INTERTECH.24.2016.193-197 193
estas oportunidades a mais expressiva é a garantia de trabalho. Muitos detentos têm baixa escolaridade ou não possuem uma qualificação que permitam-lhes concorrer a vagas propostas no mercado formal. Uma alternativa é oferecer cursos com foco na reinserção social, propondo ao aluno, conhecimentos e reflexões de temas que são carentes na sociedade e que eles possam utiliza-los como ferramentas para geração de trabalho e renda. Há uma gama de cursos oferecidos pelo governo Federal e Estadual com este objetivo, no entanto, o processo de liberação e de inscrição da instituição carcerária, assim como a quantidade de vagas oferecidas dificultam a conquista desta reinserção. Desta forma, o objetivo deste trabalho é propor um sistema de aquecimento solar que consiste em um conjunto de serpentinas, constituído de mangueira de polietileno, o qual permite com eficiência a transferência do calor provocado pela radiação solar direta e/ou difusa (Energia Solar Térmica), o aquecimento da água que circula no interior da mangueira, atendendo assim a demanda de água quente destinada a banho em um presídio.. OBJETIVO O objetivo principal deste artigo é apresentar resultados obtidos no sistema de aquecimento solar de baixo custo implantado em um Centro de Ressocialização, para aquecer água para banho dos detentos. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Coletor solar plano para aquecimento de água - Dentre as possibilidades de aproveitamento térmico que tem ganhado importância crescente na atualidade, a partir do conhecimento do recurso solar, está o aquecimento de água com um componente construtivo protagonizado pelos coletores planos, tecnologia com o melhor custo benefício no contexto brasileiro, em substituição dos populares chuveiros elétricos, principalmente nas regiões sul e sudeste do país (MENDONÇA, 2009). Um coletor solar necessita basicamente de uma superfície enegrecida, que ao absorver radiação solar se aquece e transmite energia térmica (calor) ao fluido de trabalho. Essa energia recebida pelo fluido é chamada de energia útil. Parte da radiação absorvida, no entanto, será perdida pelo sistema através de processos de transferência de calor. Transferência de calor - Conforme Tipler (2000) podemos definir os meios de transferência de calor da seguinte forma: - Condução: Ocorre devido às moléculas de maior energia transmitir energia através de vibrações para as partículas menos energéticas, e isto acontece porque quanto mais quente as moléculas mais elas vibram. - Convecção: Esta já pode ser de duas formas, por convecção natural em que é devido à diferença de densidade do fluido devido ao aquecimento ou por convecção forçada em que existe um mecanismo externo ao sistema que força o movimento do fluido. - Radiação: qualquer corpo ou superfície a uma temperatura superior ao zero absoluto emite radiação eletromagnética por alteração na configuração eletrônica de átomos e moléculas. A propagação de ondas eletromagnéticas ocorre através de corpos ou fluidos não opacos, ou no vácuo, não precisando, portanto, da existência de matéria. A lei básica é a lei de Stefan-Boltzmann. - Coletores solares Alternativos - Atualmente, inúmeros trabalhos são realizados no sentido de buscar materiais alternativos ao alumínio ou ao cobre (materiais utilizados nos coletores convencionais) para a construção de coletores solares visando à redução no preço de comercialização. Embora estes coletores apresentem baixo desempenho térmico, a redução no seu preço acaba tornando-os competitivos aos convencionais. Neste sentido, verifica-se a potencialidade do coletor de serpentinas de polietileno, em função de seu baixo custo e facilidade de manipulação, além de ser um bom absorvedor e transmissor de energia térmica. Entre os diversos tipos de coletores alternativos, Silva (1992) desenvolveu um coletor solar com mangueiras de polietileno que foi constituído com seis unidades coletoras, totalizando uma área de absorção de 5,1 m², conforme Figura 1. Figura 1 - Coletor Solar de Polietileno. Fonte: Silva (1992). Cada módulo tem 0,85 m² de área de absorção, abrigando 50 metros de tubo de polietileno extrudado que foram dispostos na forma de espiral. Em seu trabalho foram registrados no dia 22/04/1991 temperaturas de entrada do sistema de 25ºC, temperatura de saída do sistema de 47,5ºC e vazão de 420 (ml/min). Este sistema é o que está sendo proposto para aquecimento de água no projeto em questão. METODOLOGIA O experimento foi instalado em um Centro de Ressocialização (presídio), na região centro oeste do 194
estado de São Paulo, com latitude: 21º 40 43 S, longitude: 49º 44' 33" W e altitude 437 metros. O sistema consiste em um arranjo formado por 12 serpentinas instaladas na configuração série paralelas, sendo que cada bateria de serpentina em série contém 3 serpentinas. Nesta configuração garante-se ganho de temperatura no arranjo em série e ganho de vazão no arranjo em paralelo. O sistema foi instalado em uma área do telhado com inclinação de 10º, do Centro de Ressocialização, e que se encontra voltado para o Norte Geográfico. Figura 2. Figura 2 Arranjo de coletores alternativos. Cada sistema com 12 serpentinas pode aquecer até 2000 litros de água por dia. Características do Sistema de Aquecimento O Centro de Ressocialização pode atender até 220 detentos divididas em 3 alas de 70 pessoas e uma de ala para 10 pessoas que necessitam de tratamentos médicos. O sistema instalado atende uma ala com aproximadamente 70 internos. Assim, para fornecer água para o banho, considerando o consumo médio de 50 litros por pessoa (NBR-128/ABNT 1963) seriam necessários 3.000 litros de água aquecida a uma temperatura mínima de 32 C no verão e 37 C no inverno. Neste sistema utilizam-se dois reservatórios de 1000 litros, onde são armazenadas água quente aquecida das 10 às 17h30min.Este período é gerenciado por um temporizador que controla uma eletroválvula (on/off), deixando fluir água pelos coletores somente na faixa de horários onde houver incidência de radiação solar que garanta a temperatura ideal para banho. Utilizando um temporizador, a eletroválvula é acionada as 10 horas quando a água na saída do sistema está acima de 37 C, e é desligada as 17h30 quando a temperatura cai para o limiar também de 37 C. O sistema está ilustrado na Figura 3. Características do coletor: 50 m de mangueira de polietileno 2,5mm de espessura da parede do tubo de polietileno 1,4m de diâmetro 1/2 de diâmetro interno Pressão de trabalho 25MCA Estrutura feita de aço Peso aproximadamente de 15kg (vazio) Área de 0,90 m². Valor estimado por unidade coletora em Outubro de 2015 foi de R$ 65,00 (sessenta e cinco reais), sem considerar a mão de obra utilizada para confecção, tendo em vista que estas unidades coletoras foram confeccionadas pelos detentos como resultado do curso de energia solar. RESULTADOS A Norma Técnica Brasileira, (NBR - 128/ABNT,1963), que rege a instalação de água quente no Brasil, fornece as seguintes especificações: Para o aquecimento de água para uso pessoal em banhos ou higiene a temperatura deve estar entre 35 a 50 C. Desempenho do sistema de fluxo contínuo para diferentes Vazões. O sistema foi analisado submetendo-o a diferentes vazões em fluxo contínuo, com o objetivo de determinar a melhor vazão e os melhores períodos para o acionamento da eletroválvula (on-off), de modo que o sistema possa armazenar o maior volume de água aquecida com a maior eficiência térmica possível, de modo a atender aos banhos dos internos no período das 16h00 min às 17h25min no inverno. As vazões analisadas foram: 2,3 l/min, 4,5 l/min. Sistema submetido a Vazão de 4,56 l/min No dia 7 de Agosto o sistema de fluxo contínuo foi submetido a vazão de 4,56 l/min. Figura 3 Diagrama do Sistema de aquecimento Conforme Tabela 1, as 10h00 quando a eletroválvula foi acionada a temperatura da água na saída do sistema era de 37,19 C, enquanto a de entrada era de 19,71 C. O sistema ficou em operação até as 17h25min, sendo que durante este período o 195
Datalogger registrou máxima temperatura na saída do sistema no valor de 53,19 C as 13h25min. As 16h00min quando a água aquecida contida no reservatório seria liberada para o banho, o sistema ainda fornecia água para o reservatório a 43,37 C. O último valor de temperatura na saída do sistema, acima de 37 C, foi de 37,32 as 16h55min. A eletroválvula foi desativada as 17h25min quando a temperatura de saída estava na faixa de 34,01 C. A Tabela 1, resume as temperaturas descritas acima. Tabela 1. Resultados do sistema de fluxo contínuo submetido a vazão de 4,56 l/min no dia 07/08/15. TEMPO (Hora) Te Ts Global ( W/m² ) 10h00min 19,71 37,19 602,00 12h20min 23,91 49,55 761,00 13h25min 24,47 53,19 706,00 16h00min 25,53 43,37 537,70 16h55min 26,07 37,32 173,00 17h25min 25,86 34,01 73,20 TEMPO (Hora) Te Ts Global ( W/m² ) 10h00min 22,65 37,28 638,50 12h10min 23,62 47,88 795,00 14h20min 24,27 49,67 645,10 16h00min 25,39 43,94 368,90 16h55min 25,99 37,09 179,00 17h25min 25,75 33,31 64,86 O volume contabilizado foi de 891 litros para 6,5 horas de operação do sistema. A média da temperatura de saída foi 46,24 C para 24,63 C da entrada. A máxima Global registrada foi 797 W/m² as 12h10. Figura 5. Desempenho do sistema de fluxo contínuo para vazão de 2,3 l/min (11/08/15) Nesse dia o sistema resultou em uma vazão de 1900 litros de água aquecida com temperatura média de 46,7 C. A temperatura média da água na entrada do sistema foi de 24,57 C. A Figura 4 ilustra o desempenho do sistema, com as temperaturas de entrada, temperaturas de saída e vazão submetida. Figura 4. Desempenho do sistema de fluxo contínuo para vazão de 4,5 l/min (07/08/15) De acordo com as duas experiências descritas acima, é possível constatar que o sistema apresentou maior desempenho para a vazão de 4,5 l/min, tendo em vista que o volume coletado para esta vazão é 53% maior que o coletado com a vazão de 2,3 l/min, para uma temperatura média na saída do sistema tecnicamente igual. O volume coletado para esta vazão foi de 1900,52 litros, o que atenderia sem que houvesse mistura com água fria, 38 banhos com uma vazão de 50 litros a uma temperatura média de 46,7 C, sendo que a temperatura desejada para o inverno é de 37 C. Análise econômica Sistema submetido a Vazão de 2,3 l/min A Figura 5, ilustra o desempenho do sistema no dia 11 de Agosto de 2015, submetido à vazão de 2,3 l/min. Nesse dia o sistema foi acionado as 10h00 quando a temperatura de entrada era de 22,65 C e a da saída 37,28 C. As 16h00 a temperatura de saída do sistema era de 43,94 C e a de entrada 25,39 C, apresentando neste momento um ganho de 18,55 C. A maior temperatura registrada foi 49,67 C as 14h20. A última vazão registrada com a temperatura de 37 C foi às 16h55 horas. Tabela 2. Resultados do sistema de fluxo contínuo submetido a vazão de 4,56 l/min no dia 07/08/15. O Centro de Ressocialização em estudo ofertou água quente para banhos de detentos, aquecida por meio de caldeiras a gás, durante os anos de 2001 a 2005. Hoje o Centro não possui mais a estrutura de caldeiras para banho, e o fornecimento de gás atual tem como objetivo atender apenas a cozinha na produção das refeições. O consumo médio de gás, apresentado pelos administradores do Centro de Ressocialização em 2015 é na faixa de 640 kg, com valor de R$ 4,99 o quilo. A média mensal do consumo de gás para os anos em que foi ofertado banho quente foi de 1995 kg. Sem uma política de controle para quantidade e tempo de banho. Assim, estima-se que o consumo de gás destinado ao banho naquele período, foi na faixa 196
de 1350 kg. Este consumo resultaria hoje, em um valor mensal de R$ 6.750,00. Hoje, no entanto, em razão das grandes estiagens no estado de São Paulo, a quantidade de banho e o tempo são mais controlados. Desta forma foi necessário tomar como referência outro Centro de Ressocialização com a mesma população carcerária e com as mesmas características, porém, que ainda ofertasse água aquecida por caldeiras a gás. Este Centro, oferta água quente para o banho somente nos meses de Julho e Agosto com consumo médio de 630 kg de gás a mais por mês, resultando no Valor de R$ 3.150,00 mensal ou R$ 37.724,40 anual caso fosse liberado para os doze meses, para um banho diário por pessoa. Destaca-se que o consumo mensal de gás utilizado para o preparo dos alimentos para o Centro de Ressocialização que oferta água quente para banho é na média de 630 kg mensal. O custo do sistema de aquecimento de baixo para atender a população carcerária do Centro de Ressocialização em estudo é de R$ 7200,00. Valor estimado para reservatório e unidades coletoras instaladas. Um sistema de aquecimento solar comercial para atender a esta demanda foi orçado por R$ 27.000,00. Neste valor não está sendo considerando o reservatório nem mão de obra para instalação. Tabela 3. Valores referentes aos sistemas de aquecimento comercial e alternativo, e o consumo anual de gás temperatura recomendada pela Norma Técnica Brasileira, (NBR - 128/ABNT,1963). Destaca-se ainda a relevância social que envolve o projeto ao proporcionar aos internos o conhecimento necessário para desenvolver seus próprios projetos de aquecimento de água após o cumprimento da pena, enfatizando o objetivo de reinserção social da condenação a pena privativa de liberdade. Finalizando, conclui-se que a instalação do sistema alternativo em Centros de Ressocialização que já fornecem água aquecida por meio de caldeiras a gás, resultaria em economias significativas. Para o segundo Centro Ressocialização citado neste estudo, a economia seria de R$ 3.150,00 por mês. REFERÊNCIAS MENDONÇA, V. B. Estudo da problemática da aplicação de coletores solares para aquecimento de água, no segmento residencial de alto padrão, com base em escalas de projeto arquitetônico e dimensões de planejamento. 2009. 192 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)- Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009. SILVA, L. A. Coletor de polietileno: uma alternativa de aproveitamento de energia solar de baixo custo. 1992. 54 f. Dissertação (Mestrado em Agronomia/Energia na Agricultura) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu, 1992. TIPLER, P. A. Física: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 651 p. CONCLUSÕES Em resposta ao trabalho aqui desenvolvido, pela rusticidade e simplicidade de aplicação, e pelo seu baixo custo em relação aos sistemas de aquecimento comercial, conclui-se que o sistema de aquecimento de baixo custo proposto é eficiente e atende as demandas de água quente necessária para banho na unidade prisional. Para utilização da água em banhos o sistema mostrou-se eficiente, pois sendo o inverno o momento mais crítico para o uso de coletores solares, as temperaturas registradas estiveram entre a faixa de 197