actividades laboratoriais para o 10º e 11º anos do ensino … · a opção pelo tubo de cobre,...

Gabinete de Formação Contínua de Professores

Actividades Laboratoriais

para o 10º e 11º anos do

Ensino Secundário

Formandos: Augusto Teixeira Joaquim Freitas Júlia Gonçalves

Formadores: Professor Doutor Paulo Simeão de Carvalho Professor Doutor Manuel Joaquim Marques

Porto, Julho de 2010

Construção e Estudo do Funcionamento de um

Colector Solar

2

INDICE

- Enquadramento 3

- Objectos de estudo 3

- Introdução teórica 4

- Material 6

- Procedimento experimental 7

PARTE I - Montagem do colector 7

PARTE II: Preparação do equipamento 8

PARTE III: Esquema dos ensaios 9

- Tratamentos de resultados 17

- Discussão dos resultados e conclusões 23

-Sugestões de trabalho 25

-Sugestões metodológicas 26

- Bibliografia 27

- Anexos 28

3

ENQUADRAMENTO

No âmbito do trabalho de formação Actividades Laboratoriais para o 10º e 11º anos

do Ensino Secundário pretendeu-se com a realização deste trabalho atingir os seguintes

objectivos:

o Sensibilizar a comunidade escolar para a crise energética que o planeta

atravessa.

o Demonstrar que a energia solar é uma fonte renovável de elevado potencial.

o Constatar que a energia solar pode ser utilizada para o bem comum.

o Montar um sistema solar térmico, constituído por um colector solar, utilizando

materiais baratos e de fácil aplicação.

o Avaliar a capacidade de aquecimento do colector.

o Calcular o rendimento do colector solar.

o Comparar o rendimento do colector com diferentes fluxos de entrada de água,

diferentes inclinações e presença da tampa de acrílico.

o Identificar transferências de energia como radiação.

o Explicitar os valores das grandezas anteriores nas respectivas unidades SI.

o Compreender alguns fenómenos naturais com base em conhecimento físico.

o Compreender o papel da experimentação na construção do conhecimento

científico.

o Seleccionar estratégias de resolução de problemas.

o Interpretar e criticar resultados no contexto do problema.

o Reconhecer o impacto do conhecimento científico na sociedade.

OBJECTOS DE ESTUDO

o Rendimento.

o Mecanismos de transferência de calor: condução, convecção.

o Radiação.

o Materiais condutores e isoladores do calor. Condutividade térmica

o Caudal.

o Medição de grandezas físicas.

4

INTRODUÇÃO TEÓRICA

Sendo o Sol uma fonte de energia inesgotável, faz todo o sentido aproveitar a

radiação solar e transformá-la não só em energia eléctrica como também em calor. Para

os diferentes fins, são utilizados equipamentos distintos. O painel fotovoltaico converte

directamente a luz solar em energia eléctrica. Por outro lado, os colectores solares

transformam a radiação, proveniente do Sol, em calor.

Um colector solar é um exemplo de um sistema termodinâmico em que o

aumento de energia interna da água que circula no sistema é devida à transferência de

energia por radiação.

O colector é uma caixa que possui uma tampa de acrílico que, por um lado, é

transparente à radiação visível e radiação infravermelha (IV) de baixo comprimento de

onda, e por outro lado opaco à radiação infravermelha de comprimento de onda superior

emitida pelo conjunto placa mais tubos, impedindo também as trocas de calor por

convecção para a atmosfera. A tampa de acrílico permite a criação de um efeito de

estufa, na câmara interior, melhorando significativamente o processo de transferência de

energia.

O princípio de funcionamento deste

colector solar é o uso da radiação solar para

armazenar energia calorífica para depois ser

utilizada em aquecimento de água. O nosso

sistema é constituído pelo colector, um

reservatório de água fria e outro de água

quente, ligados por meio de um tubo flexível e transparente. A radiação solar, ao incidir

directamente na parte transparente, é em parte absorvida para o interior do colector, e a

outra parte é reflectida. O interior deste colector é feito com uma placa de ferro de

construção com 3 mm de espessura que foi pintada de preto baço, para que haja uma

maximização da absorção de energia radiante. Fixada à chapa de ferro, encontra-se a

tubulação de cobre, de 5 mm de diâmetro interno, que também foi pintada de preto,

pelas razões aduzidas anteriormente. A opção pelo tubo de cobre, resulta da sua elevada

condutividade térmica, e resistência à corrosão. Pelo processo de condução, o calor

absorvido pela chapa e pelo tubo é posteriormente transferido para a água. Existe

também uma caixa de isolamento para reduzir as perdas de calor pela parte do fundo,

constituída pela placa de poliestireno extrudido e dos lados com madeira. No final foi

colocado uma placa de acrílico, para permitir a passagem da luz solar para o absorvedor

(tubo de cobre e chapa de ferro construção) mas também isolar o espaço que contém os

5

tubos colectores e minimizar as perdas de calor por convecção do ar que se encontra

aprisionado dentro do colector, além de impedir que entre dentro do colector águas da

chuva e alguns materiais sólidos, como as poeiras.

6

MATERIAL

EQUIPAMENTO NECESSÁRIO

Montagem do colector Teste do colector

• Placa de Ferro construção de 0,98 m x

1,06 m, com 3 mm de espessura

• 17 m de tubo de Cobre com 0,5 cm de

diâmetro

• Arame

• Placa de Poliestireno com 0,98 m x 1,06

m, com 2 cm de espessura.

• Madeira de Castanho

• Tubos flexível

• Depósito de 35 L - Reservatório de água

fria

• Balde de 25 L - Reservatório de água

quente

• Junções de plástico

• Braçadeiras

• Alicate

• Rebarbadeira

• Berbequim

• Fita Métrica

• Máquina calculadora gráfica TI nspire

• Máquina calculadora gráfica TI 84 Plus-

Silver Edition

• 1 Sensor de temperatura

• 1 Sensor de Temperatura Easy Temp

• 1 Interface CBL2

• 1 Suporte Universal

• Cronómetro digital

• Proveta de 500,0 ml

.

7

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

PARTE I: Montagem do Colector 1. Dobragem do tubo de cobre em serpentina.

2. Corte da chapa de ferro.

Fig.1- corte da chapa de ferro

3. Fixação da tubulação à placa de ferro.

Fig.2- Fixação da tubulação

4. Corte da placa isoladora de poliestireno

5. Fixação da placa de poliestireno, da placa de ferro com a tubulação ao caixilho

de madeira.

Fig.3- Fixação da placa de isolamento

8

6. Construção do caixilho de madeira

Fig.4- Caixilho de madeira

7. Ligação dos tubos ao colector e aos respectivos reservatórios

PARTE II: Preparação do equipamento

1. Montagem da TI Nspire e TI 84

1.1. Ligar sensor Easy Temp à máquina calculadora TI Nspire

1.2. Ligar o segundo sensor à interface CBL2

1.3. Ligar a interface à máquina gráfica TI 84

Fig.5- Preparação do equipamento de aquisição de dados

9

PARTE III: Esquema dos ensaios Parte A- Estudo da influência da inclinação. A1- Inclinação de 21,6º

Resultados

Ângulo de inclinação Temperatura da água à

entrada - ºC

Temperatura da água

à saida - ºC

Temperatura do

colector - ºC Caudal- Kg/h

Rendimento-

%

21,6º 27,3 35,3 38,6 50,4 53

Reservatório água fria

Máquina de calcular

Reservatório água quente

Sensor de Temperatura


Tubo flexivel

Torneira


Tubo de cobre em serpentina

Tubo flexivel

Placa de acrílico

Estrutura de Madeira

Placa de Ferro

Placa de Poliestireno

10

Parte A- Estudo da influência da inclinação.

A2- Inclinação de 0º

Resultados Ângulo de inclinação

Temperatura da água à

entrada - ºC

Temperatura da água à

saida - ºC Temperatura do

colector - ºC Caudal- Kg/h Rendimento- %

0º 27,6 33,8 38,6 51,4 37






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel

Placa de acrílico


Placa de Ferro


11

Parte B- Estudo da influência do caudal.

B1- Caudal de 19,4 Kg/h

Resultados

Ângulo de inclinação


à entrada - ºC


à saida - ºC Temperatura do


23,3º 27,5 51,9 37,8 19,4 62






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel

Placa de acrílico


Placa de Ferro


12

Parte B- Estudo da influência do caudal.

B2- Caudal de 47,3 Kg/h

Resultados

Ângulo de inclinação


à entrada - ºC




23,3º 27,4 36,1 39,7 47,3 54






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel

Placa de acrílico


Placa de Ferro


13

Parte C- Estudo da influência da presença da placa de acrílico

C1- Caudal de 47,3 Kg/h



à entrada - ºC




23,3º 27,4 36,1 39,7 47,3 54






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel

Placa de acrílico


Placa de Ferro


14

Parte C- Estudo da influência da presença da placa de acrílico

C2- Caudal de 47,4 Kg/h e sem a placa de acrílico



à entrada - ºC




23,3º 27,4 32,9 n a 47,4 34






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel


Placa de Ferro


15

Parte D- Influência do caudal e sem a presença da placa de acrílico

D1- Caudal de 47,4 Kg/h



à entrada - ºC




23,3º 27,4 32,9 n a 47,4 34






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel


Placa de Ferro


16


D2- Caudal de 19,4 Kg/h



à entrada - ºC




23,3º 27,4 38,7 n a 19,4 29






Tubo flexivel

Torneira



Tubo flexivel

Placa de acrílico


Placa de Ferro


17

TRATAMENTO DOS RESULTADOS

O trabalho experimental realizado visou a determinação da influência dos

parâmetros caudal de água, inclinação do colector e presença da cobertura de acrílico,

no funcionamento do colector solar, mais concretamente na temperatura de saída de

água e no rendimento de transferência de energia.

O desempenho experimental aconselhado seria a manutenção do valor de dois

dos parâmetros, variando o terceiro, e deste modo analisar a sua influência no

rendimento de funcionamento do colector. Na verdade, relativamente ao parâmetro

caudal de água, este procedimento não foi de todo observado. Este facto decorre de uma

limitação da instalação experimental. Consideramos, no entanto, que esta pequena

flutuação não compromete as conclusões a retirar sobre a influência dos restantes

parâmetros.

Os ensaios foram realizados no dia 15 de Julho de 2010, entre as 12:30 horas e

as 15:30 horas, com uma temperatura ambiente de 24,4 ºC.

PARTE A – Estudo da influência da inclinação O colector foi posicionado com uma inclinação de 21,6 ºC, permitindo assim uma

incidência perpendicular dos raios solares. A inclinação dos raios solares relativamente

ao solo foi determinada experimentalmente, recorrendo à projecção da sombra no solo

de uma haste metálica. Posteriormente, por considerações trigonométricas, determinou-

se a respectiva inclinação.

Altura da haste (H) = 102,7 cm Comprimento da sombra (L) = 40,7 cm.

Inclinação dos raios solares - º4,687,407,1021 == −tgα

Inclinação no painel - º6,214,6890 =−=θ

A1 – Inclinação de 21,6º.

Determinação do caudal

Volume da proveta (V) = 0,500 L Tempo de enchimento (Δt) = 35,56 s

Densidade da água a 31ºC (d) = 0,995 g/mL

Caudal (Q) - hkgQ /4,50

360056,35

995,0*500,0==

18

Determinação do rendimento

Potência Solar (PS) = 850 W/m2 Comprimento do painel (L1) = 1,06 m

Largura do painel (L1) = 0,98 m

Capacidade térmica mássica da água (c) = 4186Jkg-1K-1

Temp. de entrada da água (θe) = 27,3 ºC Temp. de saída da água (θs) = 35,3 ºC

Rendimento (η) - 53,006,1*98,0*850

)3,273,35(*4186*3600

4,50

=−

=η

A2 – Inclinação de 0º.





360082,34

995,0*500,0==






Rendimento (η) - 37,006,1*98,0*850

)6,271,33(*4186*3600

4,51

=−

=η

19

PARTE B – Estudo da influência do caudal B1 – Funcionamento com acrílico, a 23,3º e caudal de 19,4 kg/h





360082,91

992,0*500,0==






Rendimento (η) - 62,006,1*98,0*850

)5,279,51(*4186*3600

4,19

=−

=η

B2 – Funcionamento com acrílico, a 23,3º e caudal de 47,3 kg/h





360083,37

995,0*500,0==






20

Rendimento (η) - 54,006,1*98,0*850

)4,271,36(*4186*3600

3,47

=−

=η

Parte C- Estudo da influência da presença da placa de acrílico C1 – Funcionamento com acrílico, a 23,3º e caudal de 47,3 kg/h





360083,37

995,0*500,0==






Rendimento (η) - 54,006,1*98,0*850

)4,271,36(*4186*3600

3,47

=−

=η

C2 – Funcionamento sem a placa de acrílico, a 23,3º e caudal de 47,4 kg/h





360083,37

996,0*500,0==

21






Rendimento (η) - 34,006,1*98,0*850

)4,279,32(*4186*3600

4,47

=−

=η


D1 – Funcionamento sem a placa de acrílico, a 23,3º e caudal de 47,4 kg/h





360083,37

996,0*500,0==






Rendimento (η) - 34,006,1*98,0*850

)4,279,32(*4186*3600

4,47

=−

=η

22

D2- Funcionamento sem acrílico, a 23,3º, com menor caudal. Caudal de 19,4 Kg/h





360033,92

995,0*500,0==






Rendimento (η) - 29,006,1*98,0*850

)4,277,38(*4186*3600

4,19

=−

=η

23

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS E CONCLUSÕES

A comparação dos resultados obtidos nos ensaios A1 e A2, permite-nos realçar a

influência da inclinação do colector, ao nível do seu desempenho. Deste modo,

verificou-se uma diminuição de 22,4% no aumento da temperatura da água, e uma

queda no rendimento de 53% para 37%, quando se alterou a posição do colector de uma

disposição em que a superfície era perpendicular aos raios solares, para uma posição

com incidência oblíqua (21,6º).

Este resultado encontra-se em conformidade com o previsto, pois a incidência

oblíqua da radiação solar, tem como consequência uma diminuição da área

efectivamente iluminada, resultando numa menor quantidade de energia fornecida ao

conjunto placa+tubos.

As condições experimentais nas quais se realizaram estes dois ensaios, diferem

ligeiramente daquelas que se observaram nos restantes, pelo que os valores obtidos só

poderão ser comparados com os demais, com alguma reserva.

A realização dos ensaios B1 e B2 teve como finalidade estudar o desempenho do

colector, operando com caudais diferentes. Pôde observar-se um aumento de

temperatura cerca de 2,8 vezes superior para o caudal mais baixo. Este facto pode ser

explicado pelo maior tempo de residência da água nos tubos, o que permite que uma

maior quantidade de energia se transfira para os mesmos. Entendemos oportuno referir

neste momento, que quando a água ficava estagnada durante algum tempo no colector, a

sua temperatura atingia valores na ordem dos 93ºC. Este facto permite-nos concluir que,

mesmo tomando em consideração as perdas de energia que o sistema terá certamente

para o exterior, se reduzirmos suficientemente o caudal a temperatura da água poderá,

em teoria, evoluir para este valor limite. A comparação dos ensaios D1 e D2, conduziu

no entanto a um resultado contrário, relativamente ao rendimento, pois foi superior para

o maior caudal. Tal como acima mencionamos, a comparação dos resultados obtidos

será sempre afectada de alguma reserva, pois as condições de operação eram

ligeiramente distintas. No entanto, uma possível explicação para o sucedido, poderá

estar relacionada com o facto de a energia útil transferida para a água depender também

da massa deste fluído que em cada momento percorre a serpentina, para além do

aumento de temperatura. Não pode deste modo concluir-se da relação entre o caudal e o

rendimento, pois seria necessário varrer um espectro significativo de caudais para

aquilatar da evolução do rendimento com o incremento do caudal.

Deve também referir-se que, quando se opera a caudais superiores, como a

temperatura da água no interior da serpentina é sempre inferior, comparativamente com

24

a utilização de menor caudal, a taxa de transferência é superior pelo facto de o gradiente

térmico, entre os tubos e a água, ser também maior, durante todo o circuito.

Ao comparar os resultados obtidos nos ensaios C1 e C2, pôde concluir-se sobre a

influência da cobertura de acrílico no aumento de temperatura da água e no rendimento

do processo de transferência de energia. Constata-se que, sem a cobertura, o aumento de

temperatura reduz-se em cerca de 37% e o rendimento diminui de 54% para 34%. A

criação de um efeito de estufa, na câmara delimitada pela superfície de acrílico e pela

placa do colector com os tubos, contribui decisivamente para uma transferência de

energia mais efectiva. Deve realçar-se o facto de a temperatura ambiente ser de 24,4 ºC

e a temperatura medida no interior na câmara ser de 39,7 ºC.

25

SUGESTÕES DE TRABALHO

Face aos resultados obtidos, afiguram-se oportunas algumas sugestões

relacionadas com a construção do colector e forma de operação.

O espaçamento entre os tubos deverá ser o menor possível, permitindo assim um

melhor aproveitamento da área irradiada, bem como um maior tempo de residência da

água no interior dos tubos, para um mesmo caudal. Deste modo a temperatura de saída

da água será superior e, consequentemente, o rendimento também.

Sugere-se também a utilização de uma técnica diferente para a regulação do

caudal de entrada no colector, sem prejuízo da medição da temperatura da água. A

técnica utilizada neste trabalho permitia apenas operar a dois caudais, cuja

reprodutibilidade não era satisfatória.

O estudo da influência do caudal no rendimento, deverá ser realizado para uma

gama alargada de valores do caudal, não sendo de excluir a possibilidade de se virem a

obter dois intervalos distintos, onde o rendimento poderá aumentar e posteriormente

diminuir com o aumento do caudal. A explicação para este comportamento poderá

residir no facto de a quantidade de energia transferida para a água depender da massa

que em cada segundo atravessa o colector e da diferença de temperatura. Como a

temperatura de saída diminui com o aumento do caudal, ambos o parâmetros afectam o

rendimento, de modo distinto.

26

SUGESTÕES METODOLÓGICAS

O trabalho a desenvolver pelos alunos, relativamente a esta temática, poderá ser

explorado nas suas várias etapas, estabelecendo sempre que possível a ligação com os

programas das disciplinas de Física e Química A dos 10º e 11º anos, Química do 12º

ano e Física do mesmo ano.

Numa primeira fase, poderá propor-se uma pesquisa sobre a constituição do colector

solar, procurando compreender a função de cada uma das partes bem como a razão de

ser dos materiais utilizados.

De seguida, os alunos deverão seleccionar e inventariar o material necessário,

projectar/planear a concepção da estrutura e elaborar o respectivo orçamento.

A construção do equipamento deverá ser acompanhada pelo docente, que sempre que

for necessário solicitara o apoio de grupos disciplinares na área da Educação

Tecnológica.

No que concerne ao do funcionamento do colector, os alunos deverão seleccionar as

variáveis em estudo, tais como a temperatura de saída da água e o rendimento, bem

como os parâmetros temperatura de entrada da água, caudal, inclinação e existência de

cobertura ou não. Assim deverão efectuar um controle de variáveis adequado, de modo

a poderem concluir sobre a influência de cada uma no funcionamento do colector.

Sugere-se também que, a influência de uma cobertura de acrílico, possa ser utilizada

para explorar o tema efeito de estufa, leccionado na componente de física do 10º ano.

Relativamente ao depósito para recolha da água quente, poderá estudar-se o efeito de

vários tipos de isolamento, medindo-se o declínio da temperatura em função do tempo,

e, a partir dos valores obtidos concluir sobre a condutividade dos diferentes materiais,

tema tratado na componente de física de 10º ano.

A selecção dos metais a utilizar na placa de base e nos tubos, deverá tomar em

consideração aspectos como o seu custo, condutividade térmica e resistência à corrosão.

A determinação da inclinação dos raios solares poderá ser explorada no âmbito da

disciplina de Matemática, pois envolve conhecimentos nas áreas de geometria e

trigonometria.

BIBLIOGRAFIA

• Martins, Isabel., Costa, José, Lopes José, Magalhães, Maria, Otilde, Simões,

Simões, Teresa, Adelaide Bello, San-Bento, Clara, Pina, Elisa, Caldeira, Helena

(2001) Programa de Física e Química A 10º ou 11º anos, Ministério da Educação

Departamento do Ensino Secundário.

• http://cienciaviva.pt/ralisolar/guia6.pdf

• http://www.les.ufpb.br/portal/index2.php?option=com_docman&task=doc_view&g

id=168&Itemid=30

• http://www.solcoproject.net/docs/DELVRBLENGLISH/Solar_Collectors_English.

pdf

• Barbosa, Maria, Morgado, Maria, Energias, 1ª Edição , Santillana Editora

actividades laboratoriais para o 10º e 11º anos do ensino … · a opção pelo tubo de cobre,...

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