aquecedores de água
TRANSCRIPT
-
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO
CENTRO TECNOLGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA
PROJETO DE GRADUAO
AQUECEDORES DE GUA: TIPOS, CARACTERSTICAS E PROJETO BSICO.
MAURCIO NUNES MARQUES
Vitria - ES
2006
-
MAURCIO NUNES MARQUES
AQUECEDORES DE GUA: TIPOS, CARACTERSTICAS E
PROJETO BSICO.
Projeto de Graduao do aluno Maurcio Nunes Marques,
Apresentado ao Departamento de Engenharia Eltrica do Centro
Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, para obteno do grau de
Engenheiro Eletricista.
-
MAURCIO NUNES MARQUES
AQUECEDORES DE GUA: TIPOS, CARACTERSTICAS E
PROJETO BSICO.
COMISSO EXAMINADORA: ___________________________________
Prof. Dr. Wilson C. Pinto de Arago Filho. Orientador
__________________________________ Prof. Dr. Paulo Jos Mello Menegaz
Examinador ___________________________________ Prof. M.Sc. Carlos Caiado Barbosa Zago
Examinador
-
RESUMO.
O objetivo deste trabalho relatar os tipos de aquecedores de gua, suas caractersticas, o projeto bsico e onde se aplica cada tipo de sistema. Optou se por
relatar os aquecedores seguindo a classificao segundo dois parmetros: a forma de
armazenagem do lquido e a fonte trmica utilizado em cada aquecedor, isto se
combinando cada tipo de armazenamento com a fonte trmica aplicvel ao mesmo. Na
parte de projeto, deu-se enfoque ao aquecedor eltrico, oferecendo uma alternativa ao
tipo de controle encontrado no mercado que se baseia na lgica tradicional a rel,
utilizando o termostato, que acarreta a possibilidade de um controle ON-OFF. Neste
projeto, partiu-se desde a modelagem das perdas trmicas at a sugesto de tipologia de
circuitos de aquecimento com potncia regulada, passando pela definio dos parmetros
de um controlador analgico.
-
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Esquema simplificado de um aquecedor eltrico de acumulao.......................13
Figura 2- Exemplo de aquecedor de passagem a gs e seus componentes......................15
Figura 3- Fotografia de um aquecedor de acumulao com indicao dos seus
componentes........................................................................................................................19
Figura 4- Esquema de construo de um coletor solar.......................................................21
Figura 5- Boiler....................................................................................................................22
Figura 6- Ligao Boiler - coletores.....................................................................................22
Figura 7- Instalao atravs do sistema de termosifo.......................................................23
Figura 8- Circulao forada...............................................................................................23
Figura 9- Esquema de um aquecedor eltrico controlado por termostato.........................25
Figura 10- baco para determinao da potncia dos aquecedores a gs
residenciais.........................................................................................................................32
Figura 11- Malha de controle simplificada do aquecedor....................................................43
Figura 12- Carga utilizada no aquecedor com controle ON-OFF........................................45
Figura 13- Perdas por radiao...........................................................................................51
Figura 14- Perdas por evaporao......................................................................................52
Figura 15- Resposta do sistema entrada degrau unitrio................................................53
Figura 16- Sistema com controlador PI usado na simulao..............................................54
Figura 17- Sada do sistema...............................................................................................55
Figura 18- Circuitos gradadores para regulao da potncia entregue carga.................56
Figura 19- Circuitos de disparo dos tiristores......................................................................57
Figura 20- Adaptador do sinal entre controlador e circuito de disparo................................57
-
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Radiao solar nas capitais brasileiras.................................................................26
Tabela 2- Volume de gua quente de acordo com o consumo.............................................28
Tabela 3- Volume de gua quente estimado por aparelho...................................................28
Tabela 4- Latitudes de algumas cidades brasileiras e a inclinao dos coletores.................30
Tabela 5- Estimativa de consumo de gua quente por tipo de residncia.............................31
Tabela 6- Taxa de evaporao da gua a temperatura de 25C.........................................36
Tabela 7- Influncia da velocidade do vento nas perdas de calor de uma piscina...............38
Tabela 8- Fator de atenuao da influncia da velocidade do vento, em funo do grau de
proteo.................................................................................................................................39
Tabela 9- Influncia do grau de atividade nas perdas de calor de uma piscina.....................40
-
SUMRIO.
CAPA.....................................................................................................................................i FOLHA DE ROSTO..............................................................................................................ii FOLHA DE EXAME.............................................................................................................iii RESUMO.............................................................................................................................iv LISTA DE FIGURAS............................................................................................................v LISTA DE TABELAS...........................................................................................................vi 1- INTRODUO..............................................................................................................10 2- TIPOS DE AQUECEDORES.........................................................................................11 3- CARACTERSTICAS....................................................................................................12
3.1- Aquecedor de Passagem........................................................................................12
3.2- Aquecedor de Acumulao.....................................................................................12
3.2.1-Reservatrio de gua quente..........................................................................12
3.2.2-Fontes de calor...............................................................................................12
3.2.3-Sistemas de Controle da Fonte Trmica........................................................13
3.3- Aquecedor eltrico..................................................................................................13
3.3.1-Aquecedor a resistncia eltrica.....................................................................13
3.3.2-Aquecedor a bombas de calor........................................................................14
3.4- Aquecedor a gs.....................................................................................................14
3.4.1-Aquecedor de Passagem................................................................................14
3.4.1.1- Exausto Natural...................................................................................15
3.4.1.2- Exausto Forada.................................................................................16
3.4.1.3- Fluxo balanceado..................................................................................16
3.4.1.4- Vantagens e Desvantagens do Aquecedor de Passagem....................16
3.4.1.5- Principais Componentes.......................................................................16
3.4.2-Aquecedor de Acumulao.............................................................................17
3.4.2.1- Principais componentes de um aquecedor de acumulao..................18
3.4.2.2- Limitaes dos aquecedores de acumulao.......................................19
3.5- Aquecedor solar......................................................................................................20
3.5.1-Coletor Solar...................................................................................................20
3.5.2-Reservatrio Trmico (boiler).........................................................................21
3.5.3-Circulao de gua.........................................................................................23
3.5.4-Sistema auxiliar eltrico..................................................................................24
4- PROJETO DE AQUECEDORES SOLARES DOMSTICOS.......................................26 4.1- Dimensionamento de um sistema de aquecimento solar.......................................27
- 7 -
-
4.2- Especificao dos coletores...................................................................................29
4.3- Escolha do local de instalao................................................................................29
4.3.1-Inclinao dos coletores................................................................................30
5- PROJETO DE UM AQUECEDOR RESIDENCIAL A GS...........................................31 5.1- Estimativa do consumo dirio de gua quente.......................................................31
5.2- Determinao da potncia de instalao................................................................32
5.3- Exemplo de aplicao.............................................................................................32
6- PROJETO DE UM AQUECEDOR ELTRICO DE GUA PARA PISCINAS.............34 6.1- Perdas de calor.......................................................................................................34
6.1.1-Conduo........................................................................................................34
6.1.2-Conveco......................................................................................................34
6.1.3-Radiao.........................................................................................................35
6.1.4-Evaporao.....................................................................................................36
6.2- Fatores que influenciam as perdas de calor...........................................................37
6.2.1-Fatores Dimensionais.....................................................................................37
6.2.1.1- rea da piscina...................................................................................37
6.2.1.2- Volume da piscina..............................................................................37
6.2.2-Fatores Climticos..........................................................................................38
6.2.2.1- Temperatura ambiente mdia.............................................................38
6.2.2.2- Velocidade do vento...........................................................................38
6.2.2.3- Porcentagem de dias de sol...............................................................39
6.2.2.4- Ganho solar........................................................................................39
6.3- Temperatura desejada na gua..............................................................................39
6.4- Condies de uso da piscina..................................................................................40
6.4.1-Uso da capa trmica.......................................................................................40
6.4.2-Grau de atividade realizada na piscina...........................................................40
6.4.3-Nmero de horas em que a piscina fica aberta para pblico durante o dia, a
semana e o ano........................................................................................................41
6.4.4-Renovao de ar.............................................................................................41
6.5- Dimensionamento da potncia necessria de um aquecedor de piscinas............ 41 6.6- Projeto do Aquecedor eltrico para piscinas..........................................................43
6.6.1-Controle ON OFF........................................................................................44
6.6.2-Dimensionamento dos componentes..............................................................45
6.6.3-Anlise do Desempenho do sistema com controle ON-OFF..........................46
6.7- Controle PI..............................................................................................................49
6.7.1 Projeto do controlador PI...............................................................................50
- 8 -
-
6.7.2 Modelagem das Perdas Trmicas.................................................................51
6.7.2.1 Conveco...........................................................................................51
6.7.2.2 Radiao.............................................................................................51
6.7.2.3 Evaporao.........................................................................................52
6.7.2.4 Total.....................................................................................................52
6.7.3 Definio dos parmetros do controlador......................................................53
6.7.4 Anlise do desempenho do sistema com controlador...................................54
6.7.5 Tipologia dos circuitos para regulao da potncia.......................................55
7. CONCLUSO.................................................................................................................58 Anexo A..............................................................................................................................59
Referncias Bibliogrficas..................................................................................................60
- 9 -
-
1 - INTRODUO.
O aquecimento da gua um importante item de conforto em ambientes
residenciais uma necessidade em muitos ramos da indstria, como as de laticnios,
qumicas e alimentcias.
Com a entrada do gs natural canalizado nas residncias, a utilizao de
aquecedores a gs foi incentivada[13], mas o aspecto de segurana faz com que sua
aplicao no seja to difundida quanto poderia, abrindo espao para os aquecedores
eltricos.
J os aquecedores eltricos, tm como principal desvantagem o custo da energia
que onera bastante o oramento dos usurios. Este fato, associado ao ganho ambiental,
incentiva o uso de aquecedores solares que, em longo prazo, vantajoso financeiramente
e no agride o meio ambiente por ser uma fonte de energia limpa.
Este trabalho faz um apanhado geral dos aquecedores e prope alternativas no
caso do aquecedor eltrico, por se tratar da aplicao mais condizente com o curso de
engenharia eltrica.
- 10 -
-
2 - TIPOS DE AQUECEDORES.
Pode-se classificar os aquecedores de acordo com dois parmetros:
- Fonte de Energia
- Forma de Acumulao da gua.
Existem trs tipos de aquecedores de acordo com seu tipo de fonte de energia que
so:
- Aquecedor a gs
- Aquecedor eltrico
- Aquecedor solar
Existe a possibilidade de se ter um arranjo hbrido, com as combinaes das fontes
citadas, sendo que os arranjos mais usuais so o solar-eltrico e o gs-eltrico.
Cada um destes tipos citados tem subdivises de acordo com a forma de
aquecimento utilizada devido forma de estabelecimento do contato da gua com a fonte
de calor. Segue abaixo classificao pela forma de transferncia de calor.
- Aquecedor a gs
- De passagem
- De acumulao
- Aquecedor eltrico
- De passagem central
- De acumulao
- De passagem individual.
- Aquecedor solar
- De acumulao.
- 11 -
-
3 - CARACTERSTICAS.
De acordo com os tipos de aquecedor definidos no item 2, apresentam-se as
caractersticas de cada tipo citado e das suas associaes de fonte trmica e
armazenamento dgua.
3.1 - Aquecedor de passagem.
Tem como caracterstica o fato de que a gua aquecida gradualmente, medida
que passa pelo aparelho. O exemplo mais corriqueiro deste tipo de aquecedor est no chuveiro eltrico domstico.
3.2 - Aquecedor de acumulao. Um aquecedor de acumulao consiste basicamente de trs partes essenciais: um
tanque de gua, uma fonte trmica e um sistema de controle. Desse modo encaminha-se
o estudo das principais caractersticas e fenmenos ligados a cada um desses
componentes e sua interao. Nestes aquecedores a gua aquecida fica armazenada em
reservatrios (boilers).
3.2.1 - Reservatrio de gua quente.
O reservatrio de gua quente geralmente constitudo de um tanque, construdo
em chapa metlica, revestido externamente por camadas de material de baixa
condutibilidade trmica.
3.2.2 - Fontes de calor.
Por fonte de calor designa-se o dispositivo encarregado de transformar a energia,
contida nos diversos tipos de combustveis utilizveis, em calor, e de efetuar sua
transferncia para a gua a ser aquecida.
- 12 -
-
3.2.3 - Sistemas de controle da fonte trmica.
Genericamente os sistemas de controle de potncia para aquecedores de
acumulao atuam de forma a modular a potncia til da fonte trmica, segundo um
coeficiente, como se v na equao um.
umu PaP = (1) O coeficiente a, apresentado na equao um, assume valores situados entre o
nulo e a unidade (0 a 1), segundo a lgica prpria de cada sistema de controle.
Dentre os dispositivos de controle mais usuais destacam-se o termostato (on-off),
controles analgicos lineares (PID) e controles digitais.
3.3 - Aquecedor eltrico.
Trata-se de um aquecedor onde a fonte trmica utilizada a energia eltrica.
Existem dois tipos de aquecedores eltricos: os que utilizam resistncias eltricas e os
que utilizam bombas de calor. A seguir, descrevem-se as principais caractersticas de
cada sistema.
3.3.1 - Aquecedor a resistncia eltrica. Este aquecedor utiliza o calor gerado pela energia dissipada por efeito joule para
aquecimento da gua, utilizando o contato direto com o reservatrio, ou ainda atravs de
um sistema de serpentina, que tem como vantagem o aumento do tempo de contato da
gua com o calor. Segue figura ilustrativa do sistema bsico de um aquecedor eltrico.
Figura 1 - Esquema simplificado de um aquecedor eltrico de
acumulao[12]. - 13 -
-
3.3.2 - Aquecedor a bombas de calor.
Este aquecedor utiliza uma bomba de calor, que retira calor do ambiente e o
introduz na gua a ser aquecida. Este tipo de aquecedor indicado para uso em reas
livres onde a bomba de calor tenha um ambiente de onde o calor possa ser retirado sem
grandes restries. A bomba de calor funciona como um ar condicionado invertido, ou
seja, utiliza-se um motor eltrico que aciona um compressor que, com ciclo de
compresso e descompresso aumenta a temperatura dgua.
Pode ser classificado como aquecedor eltrico, pois a nica fonte de energia
utilizada neste caso a energia eltrica gasta no motor.
3.4 - Aquecedor a gs. Trata-se de um aquecedor onde a fonte trmica utilizada o gs liquefeito de
petrleo (GLP), geralmente usado em utilizaes domsticas, ou o gs natural, usado
tambm em aplicaes domsticas, mas tendo como principal aplicao o meio industrial.
Como j foi dito no item um, h dois tipos de aquecedores a gs: o de passagem e o de
acumulao.
3.4.1 - Aquecedor de passagem A gua aquecida no momento em que utilizada. O aquecimento ocorre atravs
de um sistema com serpentinas disposto ao redor de uma cmara de combusto.
indicado para aplicaes que requerem pouca demanda de gua, considerando at
quatro pontos de utilizao (sadas dgua, como torneiras) [8].
- 14 -
-
Figura 2 Exemplo de aquecedor de passagem a gs e seus componentes.[12]
Existem os seguintes tipos de aquecedores de passagem:
3.4.1.1 - Exausto natural Os gases provenientes da queima do gs saem naturalmente por uma chamin,
sem auxlio de um sistema auxiliar para expulsar o gs. Para ser utilizado, a instalao do
aquecedor deve seguir as recomendaes de distncia recomendadas na NBR 13103.
Os aquecedores de exausto natural existem com dois tipos de sistemas de
queima:
- Com piloto: possui um piloto que permanece. No precisa de energia auxiliar para acionamento.
- Acionamento automtico: no possui piloto e usa energia eltrica auxiliar, geralmente pilhas, A chama acende com a presena de gua (ducha aberta) e
- 15 -
-
se apaga com ausncia de gua (ducha fechada). No necessita de outra fonte
de energia para funcionar.
3.4.1.2 - Exausto forada. Diferencia-se da Exausto Natural pelo fato de usar um exaustor interno para
auxiliar a expulso dos gases. Por este fato, precisa de energia eltrica para o seu
funcionamento.
3.4.1.3 - Fluxo balanceado. o nico que tem sua utilizao recomendada para ambientes fechados
(banheiros) por ter um duto de comunicao com o ambiente que lhe confere a
capacidade de uso do ar do ambiente externo. H dois tipos deste aquecedor:
- Tiragem natural: este aquecedor necessita de uma grande abertura da admisso do ar externo, devido ao fato da admisso do ar ser feita
naturalmente.
- Tiragem forada: o aquecedor possui um exaustor interno, que possibilita a implantao de um circuito de circulao de ar com a presena de dois dutos.
Um para a entrada e outro para a sada de ar. Utiliza energia eltrica para
alimentar o exaustor.
3.4.1.4 - Vantagens e desvantagens do aquecedor de passagem:
- Vantagens: ocupam pouco espao para instalao, baixo Consumo de gs. - Desvantagens: necessitam de grandes presses para funcionamento perfeito
(normalmente de 10 metros de coluna dgua).
3.4.1.5 - Principais componentes: A seguir, encontram-se os principais componentes de um aquecedor a gs
moderno, utilizando protees e controles de temperatura automticos.
- Trocador de calor e cmara de combusto: o trocador de calor libera o calor originado da combusto do gs que alimenta o queimador, transmitindo-o
gua que circula pela serpentina. A cmara de combusto formada
- 16 -
-
externamente pelos tubos onde circula a gua e pelo prprio trocador de calor.
onde a gua sofre o aquecimento, no momento em que circula por estes
tubos.
- Defletor: estabelece o equilbrio aerodinmico da mistura entre o gs combustvel e o ar do ambiente externo, garantindo uma perfeita combusto dos
gases queimados.
- Unidade de acendimento e controle eletrnico: onde so gerados os pulsos para acendimento do aparelho.
- Queimador: responsvel direto pela queima dos gases liberados pelos injetores, gerando o calor que ir aquecer a gua que circula pela serpentina.
- Vlvula diferencial ou solenide: composta por vlvulas eltricas de vcuo e piloto, que distribuem o gs para a chama piloto e para o queimador principal.
- Vlvula de gua: responsvel pelo acionamento automtico do aquecedor acionando o micro interruptor quando o volume dgua atinge o mnimo
necessrio para a queima.
- Micro interruptor: dispositivo que, levantado devido ao fluxo dgua quente que passa pela vlvula, aciona a ignio liberando o gs para o piloto.
- Sensor de temperatura na cmara de combusto: quando a temperatura na cmara de combusto ultrapassar 80C, com tolerncia de 5C, o aquecedor
desligado para evitar o superaquecimento.
- Sistema de segurana termoeltrico: este sistema controlado pelo termopar aquecido pela chama piloto. O termopar aciona um solenide, ligando a
passagem de ar quando a chama piloto existe, e desligando-a quando a chama
piloto inexistente.
- Sonda de ionizao: detecta a presena da chama piloto e automaticamente aciona o queimador.
3.4.2 - Aquecedor de acumulao.
indicado quando se necessitam de grandes volumes de gua quente para uso
simultneo e para locais onde a presso de alimentao da gua pequena e no h
possibilidade de pressurizao do sistema. O volume de gua dimensionado
armazenado num reservatrio (boiler), que receber o calor gerado pela combusto do
gs.
- 17 -
-
3.4.2.1 - Principais componentes de um aquecedor de acumulao.
- Tambor interno: reservatrio de gua que ser aquecida pelo calor originado da combusto do gs at que seja atingido o valor de referncia escolhido no
sistema de controle.
- Isolamento trmico: material com baixa condutividade trmica, revestido com poliuretano expandido, reduzindo significativamente as perdas de calor para o
ambiente.
- Acabamento: tambor externo em chapa de ao, laminado a frio, protegida com uma camada de tinta anticorrosiva. Acabamento final com tinta esmalte
sinttico.
- Controle de temperatura: tem como funo manter a temperatura no valor de referncia, controlando a quantidade de calor transferido pelo queimador.
- Vlvula de segurana de presso: dispositivo projetado para atuar quando a presso ultrapassar o limite de segurana. Funcionamento similar ao do
pressostato de alta presso.
- nodo de magnsio: sua funo evitar a corroso do tambor interno, prolongando a sua vida til. Consiste em um basto de magnsio rosqueado na
tampa do reservatrio. Recomenda-se uma inspeo anual para verificao do
desgaste.
- Piloto termopar. o queimador aceso quando a temperatura est abaixo do programado. O termopar bloqueia o orifcio de gs quando a chama piloto se
apaga eliminando o risco de vazamento de gs.
- 18 -
-
Figura 3 Fotografia de um aquecedor de acumulao com indicao dos
seus componentes[12].
3.4.2.2 - Limitaes dos aquecedores de acumulao. De um modo geral os aquecedores, em termos de desempenho trmico, tm um
desempenho mais elevado que o aquecedor de passagem. Mas seu aspecto construtivo
acarreta duas desvantagens significantes:
- Necessita de espaos maiores para sua instalao, comparando-se com o de
passagem.
- Consumo de gs 30% maior que no aquecedor de passagem.
Os aquecedores de gua a gs constituem uma boa alternativa para aquecimento
de grande porte, em ambientes industriais, onde a questo de segurana das instalaes
bem trabalhada e os investimentos nesta no so de grande vulto em comparao com
o custo do processo. Alm do aspecto citado, os aquecedores a gs tambm representam
uma boa alternativa para ambientes ao ar livre, onde a circulao de ar elimina os riscos
de sua instalao.
- 19 -
-
3.5 - Aquecedor solar.
Trata-se de um aquecedor onde a fonte trmica utilizada a luz solar e, em casos
de ausncia da fonte solar durante muito tempo, utiliza-se um sistema eltrico auxiliar.
Geralmente usado em utilizaes domsticas. H pouca aplicao em meios industriais
devido dificuldade de se gerar altas potncias em virtude da grande dimenso dos
painis necessrios para este fim.
Um sistema bsico de aquecimento de gua por energia solar composto de
coletores solares (placas) e reservatrio trmico (boiler).
As placas coletoras so responsveis pela absoro da radiao solar. O calor do
sol, captado pelas placas, transferido para a gua que circula no interior de suas
tubulaes de cobre.
O reservatrio trmico, tambm conhecido por Boiler, um recipiente para
armazenamento da gua aquecida. So cilindros de cobre, ao inox ou polipropileno,
isolados termicamente com poliuretano expandido sem CFC, que no agride a camada de
oznio. Desta forma, a gua conservada aquecida para consumo posterior. A caixa de
gua fria alimenta o reservatrio trmico, mantendo-o sempre cheio.
Em sistemas convencionais, a gua circula entre os coletores e o reservatrio
trmico atravs de um sistema natural chamado termosifo. Nesse sistema, a gua dos
coletores fica mais quente e, portanto, menos densa que a gua no reservatrio. Assim a
gua fria empurra a gua quente gerando a circulao. Esses sistemas so chamados
da circulao natural ou termosifo.
3.5.1 - Coletor solar.
Quando os raios do sol atravessam o vidro da tampa do coletor, eles esquentam as
aletas que so feitas de cobre ou alumnio e pintadas com uma tinta especial e escura
que ajuda na absoro mxima da radiao solar. O calor passa ento das aletas para os
tubos (serpentina) que geralmente so de cobre. Da a gua que est dentro da
serpentina esquenta e vai direto para o reservatrio. Os coletores so fabricados com matria-prima nobre, como o cobre e o alumnio.
Recebem um cuidadoso isolamento trmico e ainda vedao com borracha de silicone.
Eles tm cobertura de vidro liso e so instalados sobre telhados ou lajes e sempre o mais prximo possvel do reservatrio trmico. O nmero de coletores a ser usado numa
instalao depende do tamanho do reservatrio trmico, mas pode tambm variar de
- 20 -
-
acordo com o nvel de insolao de uma regio ou at mesmo de acordo com as
condies de instalao.
Figura 4 - Esquema de construo de um coletor Solar.[9]
Como indica a figura 4, ele composto pelos seguintes materiais:
- Vidro: impede que entrem, no coletor, gua de chuva, materiais slidos, poeira, etc. Tem como finalidade principal provocar o efeito estufa. Ou seja, a luz do sol incidindo
diretamente no vidro faz com que parte dela penetre no interior do coletor, refletindo outra
parcela de luz. Ao atravessar o vidro, os raios infravermelhos de algumas freqncias
contidos na luz no conseguem ultrapassar a camada de vidro, provocando assim um
aquecimento interno que ajudar no aquecimento da gua que est circulando na
tubulao de cobre.
- Tubo de cobre: serve para conduzir a gua que captar o calor do sol. O cobre, sendo um timo condutor de calor, absorver todo esse calor do coletor e o transmitir
para a gua que est circulando.
- Chapa de alumnio enegrecida: tem por finalidade auxiliar no aquecimento do coletor. Pela sua cor negra, absorve melhor o calor da luz solar, transmitindo-o para os
tubos de cobre e conseqentemente para a gua.
- Poliuretano expandido ou l de vidro: um material que isola termicamente o coletor, impedindo que o calor captado pela luz solar escape para o ambiente.
3.5.2 - O Reservatrio trmico (boiler).
O reservatrio trmico (figura 5) como uma caixa dgua especial que cuida de
manter quente a gua armazenada no aquecedor solar. Esses cilindros so feitos de
cobre, inox, ou polipropileno e depois recebem um isolante trmico. Os modelos de
- 21 -
-
reservatrio trmico vm com sistema de aquecimento auxiliar eltrico, em sua maioria,
mas podem ser fabricados com sistema auxiliar a gs, ou at mesmo sem este recurso.
Figura 5 BOILER [9].
O boiler serve para armazenar gua quente para consumo. fabricado em
alumnio na parte externa e em cobre ou ao inox na parte interna. Internamente, a gua
quente se mistura com a fria ficando a gua quente sempre na parte superior. O boiler
possui resistncia eltrica que aquece a gua em dias em que no h luz solar suficiente.
Comandada por um termostato, ela liga e desliga de acordo com a temperatura da gua.
Aqui tambm se encontra o poliuretano expandido, revestindo toda a parede interna do
boiler. Em dias com grande luminosidade, a gua quente pode ficar armazenada por
vrias horas sem precisar acionar a resistncia eltrica. Existem boilers de alta presso e
de baixa presso. Os de baixa presso trabalham com at 5 mca e os de alta presso
com at 20 mca. Os boilers podem ser de nvel (colocado no mesmo nvel da caixa fria)
ou de desnvel (abaixo da caixa fria). A escolha vai depender da altura da cumeeira da
residncia.
.
ee consumo
Reposio Dgua
gua fria gua
quente
Figura 6 - Ligao Boiler-Coletores.
- 22 -
-
3.5.2 - Circulao da gua.
Conforme ilustra a figura 6, a gua sai da caixa dgua fria e vai para o boiler,
seguindo depois para as placas que esto no telhado da casa. A gua aquecida ao
passar pelas placas e retorna para o boiler, ficando armazenada at o seu consumo. A
gua pode circular pelos coletores atravs de duas maneiras: natural (termosifo) ou
forada.
- Termosifo: a circulao ocorre devido diferena de densidade entre a gua fria e a quente. A gua fria, sendo mais pesada, acaba empurrando a gua quente que
mais leve, realizando a circulao. Sua vantagem de no precisar de energia eltrica
para a movimentao da gua, dispensando qualquer tipo de manuteno. Para haver
esse tipo de circulao, necessrio que as placas estejam no mnimo 30 cm mais
baixas que a base do boiler, como indica a figura 7.
Figura 7 - Instalao atravs do sistema de termosifo[11].
A distncia mxima entre o boiler e as placas tem que ser de 5 m, caso contrrio,
a circulao por termosifo pode no ocorrer.
- Forada: nesse caso a circulao da gua no ocorre sozinha e sim por auxlio de uma microbomba instalada no circuito. As desvantagens desse tipo de instalao so
a dependncia da eletricidade e a possibilidade de ocorrerem problemas na microbomba.
O boiler sempre ficar abaixo dos coletores como indica a figura 8.
Figura 8: Circulao forada[11]. - 23 -
-
Comparando-se com os aquecedores eltricos e a gs, a principal vantagem de um
aquecedor solar :
- Custo de aquecimento zero, em regies de sol constante (considerando que o
custo inicial de instalao j teve seu retorno financeiro contabilizado).
Comparando-se com os aquecedores eltricos e a gs, as principais desvantagens
de um aquecedor solar so:
- Custo do aparelho.
- Em regies pouco ensolaradas, o sistema eltrico acionado constantemente.
Portanto, para se instalar um aquecedor solar deve-se considerar o nvel de
irradiao solar da regio, pois, se o mesmo for insatisfatrio, a principal vantagem do
aquecedor pode ser anulada pelo fato de se utilizar o sistema eltrico auxiliar por muito
tempo. Neste caso, o aquecedor solar se tornar na prtica um aquecedor eltrico.
3.5.4 - Sistema auxiliar eltrico.
Este sistema tem como principais componentes o termostato, que comanda o
acionamento da resistncia auxiliar, e a chave de potncia (geralmente contatores) que
aciona a resistncia auxiliar seguindo o seguinte esquema abaixo.
- 24 -
-
Legenda:
1Q1 - Disjuntor de Potncia1Q2 - Disjuntor do circuito de ComandoK1 - Contator de acionamento da cargaT1 - Contato NF do Termostato para controle do acionamento do circuito.
Notas:
1 - Temperatura < Referncia => T1 fechado e Temperatura >Referncia => T1 aberto2 - A carga utilizada trifsica e o tipo de ligao(Y ou delta) depende da aplicao do aquecedor.
Figura 9 Esquema de um aquecedor eltrico controlado por termostato.
Este seria o esquema bsico de um aquecedor eltrico com estratgia de controle
ON OFF. Este o esquema utilizado na maioria dos aquecedores eltricos por se tratar
de uma estratgia simples de controle e funciona da seguinte forma: o contato NF do
termostato mantm seu estado normal quando a temperatura da gua est abaixo da
referncia, alimentando a bobina do contator K1 e conseqentemente a carga. Quando a
temperatura est acima da referncia, o contato NF (T1) do termostato altera seu estado
e desliga a alimentao da carga.
- 25 -
-
4 - PROJETO DE AQUECEDORES SOLARES DOMSTICOS. Como descrito no item 3.5, o aquecedor solar deve ficar numa regio onde a
irradiao solar seja bastante significativa. Ento, quando se projeta um aquecedor solar,
deve-se dimension-lo para que a irradiao solar seja bem aproveitada. O principal
elemento a ser estudado para maximizao da irradiao o coletor solar.
A inclinao dos coletores solares a varivel que controla o nvel de irradiao
captada, sendo que esta depende da latitude da localidade onde o coletor deve ser
instalado. A irradiao captada segue a seguinte equao:
iI o cosI = (2)
Onde: I = intensidade da energia solar em 2mW
oI = constante solar ( 2mW1350 )
Tabela 1 - Radiao solar nas capitais brasileiras[9].
Capital Temperatura mdia anual
( C )
Radiao solar incidente
anom
kWh /2
Porto Velho 26,2 1604
Manaus 27,4 1663
Boa Vista 27,8 1938
Belm 26,9 1783
Macap 26,8 1714
So Luis 27,4 1929
Teresina 28 1982
Fortaleza 26,7 1992
- 26 -
-
Natal 25,9 2013
Joo Pessoa 25,7 1968
Recife 25,9 1956
Macei 25,5 1959
Aracaju 25,5 1892
Salvador 25,1 1830
Belo Horizonte 21,5 1896
Vitria 24,4 1675
Rio de Janeiro 23,7 1602
So Paulo 23 1674
Curitiba 17,6 1656
Florianpolis 20,8 1495
Porto Alegre 20,1 1594
Cuiab 26,8 1775
Goinia 22,7 1928
Braslia 21,4 1934
4.1 - Dimensionamento de um sistema de aquecimento solar. O dimensionamento correto de um sistema de aquecimento solar evita a falta de
gua quente para o consumo e, tambm, o superdimensionamento, que encarece a
instalao. Para dimensionar-se um sistema, deve-se levar em conta o volume de gua
de consumo, como indica a tabela 2.
- 27 -
-
Tabela 2 - Volume de gua quente de acordo com o consumo [6]
Os clculos so considerados para presso de trabalho de 4 mca entre o topo da
caixa dgua e a sada de gua quente. aconselhvel uma reserva de 100 litros para
atender possveis excessos ou emergncias.
Exemplo: deseja se dimensionar um aquecedor solar para uma residncia com cinco moradores. A casa ter gua quente na cozinha, chuveiros (dois banheiros),
lavatrio, e uma banheira de hidromassagem simples.
Resoluo: preenchendo a tabela abaixo, determina-se o volume de gua quente
necessrio.
Tabela 3 - Volume de gua quente estimado por aparelho[6].
- 28 -
-
4.2 - Especificao dos coletores. No caso dos coletores, considerando que o rendimento de um coletor estimado
em 700 W/m, e com o consumo dirio em litros da casa, pode-se estimar a energia gasta
diariamente de acordo com a seguinte equao
)( ambguap TTVCE = (3)
onde:
V = consumo dirio da casa, em m
= densidade da gua em kg/m Cp = Calor especfico da gua, em kJ/kg C
Tgua = Temperatura da gua desejada
Tamb = Temperatura ambiente mdia da regio onde for instalada.
Dividindo o valor da equao 3 , pelo valor de durao do dia encontra-se o valor
de potncia mdia diria.
86400EPsolar = , em kW (4)
Com o valor da equao anterior e considerando a eficincia do coletor como
sendo 0,7 kW/m, tem-se:
7,0solar
coletorPS = , em m (5)
4.3 - Escolha do local de instalao. Para que os coletores tenham um timo aproveitamento da luz solar,
recomendado o seu posicionamento ao norte geogrfico. O norte geogrfico definido
como o ponto de encontro dos meridianos no circulo polar rtico, trata-se de uma
referncia espacial, de uma coordenada de referncia para localizao no globo terrestre.
O norte magntico definido como a localizao do norte do campo magntico intrnseco
da terra, a agulha da bssola aponta para este ponto. A diferena entre o norte magntico
e o geogrfico varia em cada regio no planeta sendo que o norte geogrfico est situado
sempre direita do norte magntico e varia de acordo com o local. Para a cidade de So
- 29 -
-
Paulo, o norte geogrfico est a 18 direita do norte magntico. Em geral, ele se
encontra aproximadamente a 20 para o Brasil.
4.3.1 - Inclinao dos coletores. A inclinao dos coletores requer muito cuidado na hora de serem instalados. Para
encontrar-se a inclinao ideal, utiliza-se a seguinte regra:
Latitude do local + 10
Tabela 4 - Latitudes de algumas cidades brasileiras e a inclinao dos coletores [9]
*Quando a inclinao for menor que 20 recomendada a instalao de um suporte, pois a inclinao mnima de 20 para garantir o fluxo adequado de gua.
Com estes parmetros, consegue-se a definio dos parmetros necessrios para
se conseguir o aquecimento necessrio para a instalao.
- 30 -
-
5 - PROJETO DE UM AQUECEDOR RESIDENCIAL A GS.
No dimensionamento de um aquecedor predial a gs, considerando a aplicao de
um aquecedor de acumulao, devem ser seguidos os seguintes passos de projeto:
5.1 - Estimativa do consumo dirio de gua quente.
Para estimar o consumo de gua quente de um prdio, seguem-se as seguintes
etapas:
- Nmero total de pessoas = (nmero de aptos x dormitrios/apto) x 2 + nmero
total de empregados.
- Retirar da tabela abaixo a estimativa de consumo de acordo com a natureza do
prdio considerado.
Tabela 5 - Estimativa de consumo de gua quente por tipo de residncia[7].
Natureza da Edificao Consumo (litros por dia).
Alojamento provisrio 24 por pessoa
Casa popular ou rural 36 por pessoa
Residncia 45 por pessoa
Apartamento 60 por pessoa
Quartel 45 por pessoa
Escola (internato) 45 por pessoa
Hotel (sem cozinha e lavanderia) 36 por hspede
Hospital 125 por leito
Restaurante 12 por refeio
Lavanderia 15 por kg de roupa seca
- Acrescentar 75 litros para cada banheira e 150 litros para cada mquina de lavar
- O consumo total de gua quente ser dado por:
a) numero de pessoas x valor da tabela.
b) nmero de banheiras x 75 litros.
c) nmero de mquinas de lavar x 150 litros
Assim, estima-se o consumo de gua quente total.
- 31 -
-
5.2 - Determinao da potncia de instalao.
Com o valor do consumo de gua quente, utilizando o baco abaixo encontram-se
a dimenso do reservatrio e a potncia do aquecedor necessrio para utilizao neste
caso.
30000
20000
15000
10000
8000
6000
4000
2000
1000
900
800
700
600
500
20000
20000
80000
60000
50000
30000
20000
500
1000
1500
2000
3000
4000
5000
CONSUMO DIRIO (l/dia)
DO QUEIMADORPOTNCIA
(Kcal/h)
VOLUME (l)
Figura 10 - baco para determinao da potncia de aquecedor a gs predial.[6]
Para se utilizar o baco, o dado de entrada seria o consumo dirio de gua
apurado. Projetando-se este ponto na curva encontra-se um ponto que associa um
consumo e uma potncia do queimador, que definem a configurao bsica do
aquecedor.
5.3 - Exemplo de aplicao:
Considere-se um prdio com 20 apartamentos de 3 quartos, sendo uma sute com
previso de uma banheira e uma mquina de lavar por apartamento. Encontram-se, ao
utilizar o mtodo descrito nos itens 5.1 e 5.2, os seguintes valores:
- Nmero de pessoas = (20 x 3) x 2 + 20 = 140 pessoas
- Consumo pessoal = 140 pessoas x 60 litros por pessoa = 8400 litros
- Consumo das banheiras = 20 x 75 litros = 1500 litros
- Consumo das mquinas de lavar = 20 x 150 litros = 3000 litros.
Apura-se um consumo total de 12900 litros por dia. Ao utilizar o baco da figura 10,
encontram-se os seguintes parmetros para o aquecedor: - 32 -
-
- Reservatrio com 3000 litros e potncia de 50000 kcal/h (58,33 kW).
Assim encontra-se a potncia que o sistema eltrico auxiliar deve ter.
- 33 -
-
6 - PROJETO DE UM AQUECEDOR ELTRICO DE GUA PARA PISCINAS. O nico ganho natural de calor de uma piscina acontece quando os raios solares incidem direta ou indiretamente na superfcie da gua. O aproveitamento no integral
(100%), porque 15% ou mais dos raios solares so refletidos para a atmosfera. Pode
haver um ganho de calor, embora menor, por conduo e conveco, quando a
temperatura ambiente superior temperatura da gua da piscina.
6.1 - Perdas de calor. Para o dimensionamento da potncia de um aquecedor e o clculo do custo de
aquecimento de uma piscina, necessrio saber quais so os tipos de perdas de calor
uma piscina e o seu grau de importncia. Apresentam - se, a seguir, os tipos de perdas
de calor:
6.1.1 - Conduo.
a perda que se processa atravs das paredes e do piso da piscina, indo o calor
para o solo adjacente. As perdas de calor por conduo dependem da diferena de
temperatura entre a gua da piscina e o solo anexo a ela (da ordem de 10 a 15C), da
rea total, da espessura e do material que compem as paredes e o piso.
Elas no representam mais do que 5% das perdas totais de calor de uma piscina
podendo ter influncia um pouco maior apenas durante o aquecimento inicial. Com perdas
to pequenas, no necessrio fazer a isolao trmica das paredes e do piso.
6.1.2 - Conveco.
Os fatores que influem nas perdas por conveco so:
temperatura da gua da piscina
temperatura ambiente
rea da piscina
velocidade do vento na superfcie da piscina
carga de banhistas na piscina
nmero de horas de uso da piscina ao longo do dia
uso da capa trmica etc.
- 34 -
-
Em dias frios, observam-se melhor as perdas por conveco. Mantendo-se uma
certa distncia da piscina, podem-se observar pequenas nvoas junto superfcie da
gua. Essas nvoas so as chamadas correntes de conveco. A expresso abaixo
quantifica as perdas por conveco considerando a rea da piscina e a diferena entre a
temperatura da gua e a temperatura ambiente.
)( ambwconv TThAQ = (6)
onde:
Qconv a potncia perdida por conveco, em W.
h o coeficiente mdio de transferncia de calor por conveco, em W/mK.
A a rea da superfcie da piscina, em m
Tw a temperatura na superfcie da gua, em K
Tamb a temperatura do ar sobre a gua, em K.
6.1.3 - Radiao. Este tipo de perda ocorre quando a temperatura da gua e/ou sua emissividade,
que pode ser entendida como sendo a quantidade de energia que um corpo consegue de
irradiar novamente uma energia que foi recebia por radiao, so maiores que a
temperatura e/ou a emissividade aparente do ar. Ela ocorre principalmente noite e
chega a representar 20% das perdas de calor de uma piscina.
).(. ambwrrad TThAQ = (7) onde:
Qrad a potncia perdida por conveco, em W.
Tamb a temperatura ambiente, em K.
A a rea da superfcie da piscina, em m
Tw a temperatura na superfcie da gua, em K
hr o coeficiente de radiao linearizado, em W/m.K que dado pela equao:
)().(. 22 ambwambwr TTxTTseh ++= (8)
- 35 -
-
onde:
e a emissividade da gua.
s a constante de Stefan - Boltzmann, que vale 5,67x10-8 ( )42 Km W . 6.1.4 Evaporao.
A passagem da gua de estado lquido para vapor requer energia. Essa energia
retirada em forma de calor da gua da piscina, ocasionando a queda de sua temperatura.
Os fatores que influem na maior ou menor evaporao so:
temperatura da gua da piscina
temperatura ambiente
rea da piscina
velocidade do vento na superfcie da piscina
umidade relativa do ar
carga de banhistas na piscina
nmero de horas de uso da piscina ao longo do dia
uso da capa trmica etc.
Calculam-se as perdas por evaporao da seguinte forma:
- Estima-se a taxa de evaporao, seguindo a tabela abaixo:
Tabela 6 -Taxa de evaporao da gua a temperatura de 25C[16].
Taxa de evaporao da gua temperatura de 25C
2m
hkg
Umidade relativa do ar Temperatura ambiente C
50% 60%
30,0 0,1173 0,0821
28,9 0,1276 0,0948
27,8 0,1324 0,1060
26,7 0,1417 0,1173
25,6 0,1505 0,1276
24,4 0,1588 0,1373
- 36 -
-
Com a estimativa da taxa de evaporao a perda de calor por evaporao pode ser
calculada por:
lvpevap hmQ .= (9)
onde:
Qevap o fluxo de calor por evaporao, em W.
mp a taxa de evaporao, em kg/s
hlv o calor latente de vaporizao da gua na temperatura do ar, em kJ/kg
6.2- Fatores que influenciam as perdas de calor. 6.2.1- Fatores dimensionais
So os de mais fcil determinao e os de maior importncia.
6.2.1.1- rea da piscina.
Como 95% das perdas de calor ocorrem na superfcie da piscina, esta a varivel
mais importante.
6.2.1.2 - Volume da piscina.
importante, apenas no incio do aquecimento, para que se possa dimensionar a
potncia do aquecedor pelo tempo gasto para aquecer a gua at a temperatura desejada.
O conhecimento do volume tambm passa a ser importante, pois algumas
publicaes, para simplificar, indicam a perda de temperatura na gua da piscina num certo
perodo de tempo (geralmente um dia). Nesse caso, deve-se usar o volume para o clculo
da perda de calor, mas isso no quer dizer que essas perdas sejam decorrentes dele.
- 37 -
-
6.2.2 - Fatores climticos.
So determinados pela localizao da piscina, que se caracteriza pela latitude e
pela altitude. Os dados climticos da localizao so obtidos na estao meteorolgica
mais prxima.
6.2.2.1 - Temperatura ambiente mdia. Os dados meteorolgicos so bastante sofisticados, fornecendo informao
detalhada sobre temperatura mdia das mdias, temperatura mdia das mnimas,
temperatura mdia das mximas etc. Usa-se, nos clculos, a temperatura mdia do ms,
sendo a mais importante a temperatura mdia do ms mais frio em que se quer usar a
piscina.
6.2.2.2 - Velocidade do vento. Tem influncia considervel nas perdas de calor de uma piscina ao ar livre.
Clculos de perda de calor partem de uma velocidade do vento de 5 km/h. A Tabela 7
mostra por meio de fatores de correo, a influncia da velocidade do vento nas perdas
de calor das piscinas ao ar livre, para diferentes velocidades do vento.
Tabela 7- Influncia da velocidade do vento nas perdas de calor de uma piscina [16].
Velocidade do vento (km/h) Fator de correo
5 1
10 1,4
15 1,9
20 2,3
A velocidade do vento obtida em uma estao meteorolgica, a uma altura de
aproximadamente 10 m, e no em alturas mais baixas, que normalmente onde se
localizam as piscinas. Levando-se em conta este fato, aliado ao tipo de proteo que a
piscina tem em relao ao vento, usa-se um fator de atenuao da influncia da
- 38 -
-
velocidade do vento (obtida pela estao meteorolgica) nas perdas de calor de uma
piscina.
Tabela 8 - Fator de atenuao da influncia da velocidade do vento, em funo do grau de proteo [16].
Grau de proteo Fator de atenuao (%)
Sem proteo 30
Proteo moderada 20
Boa proteo 10
6.2.2.3 - Porcentagem de dias de sol.
importante saber quantos dias de sol um determinado local tem por ano ou,
melhor ainda, qual a potncia calorfica mdia anual, mensal e diria por unidade de rea
que chega em uma superfcie horizontal.
6.2.2.4 -Ganho solar. A nica maneira de uma piscina ganhar calor naturalmente por meio de absoro
da radiao solar.
Sabe-se que 80 a 95% da energia solar so irradiados entre 8 e 16 horas. Para se
ganhar essa energia, que poder superar, compensar ou atenuar as demais perdas,
necessrio que no haja sombras na piscina, principalmente nesse horrio.
Capas solares transparentes e do tipo bolha transmitem piscina 85% da energia
solar, enquanto as opacas transmitem aproximadamente 75%.
6.3 - Temperatura desejada na gua. Para a prtica de natao, a temperatura ideal da gua da piscina fica entre 25 e
28C. Essa temperatura importante, porque se ela aumentar em 1C, a perda de calor
aumentar de 10 a 20%[16].
Sugere-se tambm que a temperatura mnima da gua para a prtica de natao
de adultos seja 18C e para crianas, 22C[16].
- 39 -
Academias de natao trabalham com temperaturas mais elevadas, que variam
entre 28 e 32C[16].
-
6.4 - Condies de uso da piscina.
Estas condies tm grande influncia sobre as perdas de calor. As mais
importantes so o uso ou no da capa trmica, o grau de atividade realizada na piscina e
o nmero de horas em que a piscina fica aberta para o pblico durante o dia, a semana e
o ano.
6.4.1 - Uso da capa trmica. O uso da capa trmica para a reduo das perdas de calor fundamental,
principalmente nas piscinas ao ar livre. Em casos extremos, pode-se reduzir essas perdas
em at 65%.
6.4.2 - Grau de atividade realizada na piscina. O grau de atividade tem grande influncia sobre as perdas de calor. Esta influncia
expressa pelos graus de atividade.
A tabela abaixo indica fatores de multiplicao que sero usados como corretores
nos clculos das perdas de calor, levando-se em conta o grau de atividade. O fator final,
para efeito de clculo, deve ser obtido a partir da mdia ponderada dos fatores.
Considera-se:
sem atividade a piscina sem nenhum banhista.
com baixa atividade a piscina que tiver dois ou menos banhistas para cada 100 m de
rea
com alta atividade a piscina que tiver trs ou mais banhistas para cada 100 m.
Tabela 9 - Influncia do grau de atividade nas perdas de calor de uma piscina [16].
Fatores de correo Sem atividade Baixa atividade Alta atividade
Piscina ao ar livre 1 1,1 1,5
Piscina coberta 1 1,3 1,7
- 40 -
-
6.4.3 - Nmero de horas em que a piscina fica aberta para pblico durante o
dia, a semana e o ano. Quanto menor for o tempo no qual a piscina ficar aberta ao pblico, menor ser a
perda de calor. Isso ocorre no s devido ausncia de atividade, mas principalmente
pelo uso da capa trmica, que pode ser colocada quando a piscina est fechada.
6.4.4 - Renovao de ar. Em piscinas fechadas e cobertas, uma das maneiras de se evitar que a umidade
relativa passe de 60% insuflar ar externo, de umidade relativa mais baixa. Esta
operao leva a um aumento nas perdas de calor, principalmente pelo aumento da
evaporao na superfcie da gua da piscina, e tambm pela temperatura mais baixa
deste ar.
O uso de desumidificadores especiais, que recuperam o calor do ar mido da
piscina, atenua bastante essas perdas.
6.5 - Dimensionamento da potncia necessria de um aquecedor de piscinas. Para o dimensionamento do aquecedor pode-se utilizar dois mtodos:
a) levando-se em considerao o tempo requerido para aquecer a gua at a
temperatura desejada;
b) levando-se em considerao a potncia necessria para manter a gua na
temperatura desejada.
- Exemplo de projeto: A piscina do tipo semi-olmpica com comprimento de 25m, largura de 12,50m e
profundidade de 1,30m e uma elevao de temperatura de 10C.
Dimensionando-se pelo mtodo b, o tempo de aquecimento ser o resultado
esperado para a avaliao do projeto. Para calcular a potncia necessria para manter
gua na temperatura desejada deve-se possuir as seguintes informaes:
1 - Temperatura desejada
2 - Temperatura mdia ambiente da poca mais fria em que a piscina utilizada
- 41 -
-
3 rea da superfcie de gua do tanque.
Considerando-se a perda de calor nas paredes do tanque desprezvel, em relao
perda na superfcie da gua.
Considerando-se a piscina ao ar livre, mas protegida dos ventos (limitando-se a
velocidade a 5 km/h), pode-se calcular a perda aproximada de calor pela superfcie da
gua com a frmula:
)(.06,0 ad TTSQ = (10)
onde :
Q=potncia dissipada em kW (para ventos de 5km/h)
S = rea da superfcie de gua em m
Td = temperatura desejada para gua em C
Ta = temperatura ambiente mdia da poca mais fria do ano em C
Neste caso, com S= 25 x 12,5 = 312,5 m2 Td = 25 C e Ta = 15 C, tem-se :
Q = 0,06 x 312,5 x 10 = 187,5 kW. Para este critrio, o aquecedor deve ter uma potncia maior ou igual potncia
acima calculada, pode-se incluir a influncia de velocidade dos ventos atravs dos fatores
da tabela 7.
O projeto ser baseado ento num projeto de aquecedor de 200 kW que atender os requisitos do critrio estabelecido acima.
Alm disso, consideram-se a velocidade de aquecimento e o tempo de
aquecimento da piscina para que o aquecedor alcance a temperatura ideal no tempo
estabelecido em projeto que seria limitado a 48 horas [15]. Com as equaes abaixo,
calculam-se a velocidade e o tempo de aquecimento do sistema.
Para calcular a velocidade de aquecimento utiliza-se a seguinte expresso:
Vq
A a43,0= (11)
onde:
qa = potncia de aquecimento, em kW
V = Volume da piscina em m3
A = velocidade de aquecimento em hC
E o tempo de aquecimento ser:
ATT
H id)(23,2 = (12)
- 42 -
-
onde:
Td = temperatura final de aquecimento
Ti = temperatura inicial de aquecimento
A = velocidade de aquecimento em hC
H = tempo de aquecimento em horas
Neste caso encontra-se 3,15,1225
20043,0xx
xA = A = 0,21 hC .
E utilizando Ti como sendo a temperatura para o pior caso = 15 C (com Td = 25
C), tem-se:
21,01023,2 xH = = 163080 s = 45,3 Horas.
Ento para elevar a temperatura em 10 C, gastam-se 45,3 horas que implica num
tempo mdio de aquecimento de 1 C a cada 4,5 horas.
6.6- Projeto do aquecedor eltrico para piscinas. O projeto consiste no desenvolvimento de um sistema de aquecimento que atenda
s expectativas de eficincia trmica e que seja de bom rendimento energtico.
O sistema de um aquecedor seria simplificado no seguinte diagrama de blocos:
- 43 -
-
SADA ( C)
DE TEMPERATURA
REFERNCIA ( C)
SENSOR
+ PROCESSOCONTROLADOR
Figura 11 Malha de controle simplificada do aquecedor.
Para controle de temperatura de aquecedores de uso industrial ou comercial,
utilizam-se dois tipos de estratgia de controle:
- Controle ON OFF
- Controle Proporcional Integral (PI).
6.6.1 - Controle ON OFF.
No controle ON - OFF tm-se as funes de Sensoriamento e manobra contidas
em apenas um dispositivo, o termostato. A lgica de controle simples: quando a
temperatura supera o ajuste do termostato, incluindo sua histerese, ele desliga o circuito
de potncia. Do mesmo modo, quando a temperatura inferior ao ajuste do termostato,
descontando tambm sua histerese, ele liga o circuito de potncia.
Neste tipo de controle, h uma resposta lenta s variaes do sistema, alm de um
gasto desnecessrio de potncia devido falta de controle da potncia entregue. H a
vantagem na robustez e no pequeno gasto na sua implantao. O esquema de ligao
idntico ao mostrado na figura 9.
Considerando a carga ligada em Delta e a potncia do aquecedor igual a 200 kW.
Calcula-se a corrente de cada fase do sistema, alm de dimensionar os cabos para
alimentao deste aquecedor:
- 44 -
-
kWkWPtotalPfase 66,663
2003
=== . (13)
AVkW
VfasePfaseIfase 303
22066,66 === (14)
=== 726,0303220
AV
IfaseVfaseRfase (15)
Ento a configurao da carga utilizado no aquecedor a seguinte:
VVVV bcacab 220===
0 ,7 26
a
b
c
0 ,7 26
0 ,7 26
Figura 12 Carga utilizada no aquecedor com controle ON-OFF.
220
V
6.6.2- Dimensionamento dos componentes - Cabos de alimentao:
Como AI fase 303= e pela propriedade dos sistemas trifsicos faselinha II = 3 ento:
AIlinha 525= . O que acarreta a utilizao de um cabo de alimentao de 400mm.
Segundo Norma ABNT 5410 para instalao tipo eletroduto embutido em teto,
parede ou piso. - Disjuntor de potncia.
O disjuntor mais apropriado para se utilizar neste caso tem corrente nominal
de 600 A, trifsico, pois se enquadra entre a corrente nominal do circuito e a
corrente do cabo.
- Contator.
- 45 -
-
Considerando a corrente nominal de desligamento e a categoria de
acionamento AC1, tem-se como melhor indicao o seguinte dispositivo:
- Contator 3TF 57 22 da Siemens[4].
- Disjuntor de comando. O disjuntor de comando deve ser de 2 A. Devido baixa potncia do circuito
de comando e pequena bitola do mesmo.
-Termostato.
O termostato deve ser apropriado para medir uma faixa de temperatura entre
0 e 100 C , e poder ser usado em contato com a gua . A histerese utilizada deve
ser de 1 C para que no haja um erro estacionrio muito alto. J que, este tipo de
controle acarreta um erro estacionrio bem elevado.
- Resistncias. As Resistncias sero do tipo cartucho, em nmero de 6 por fase, sendo 4
com potncia de 15000W, 1 com potncia de 5000 W e 1 com potncia de 1500 W.
Totalizando 66500 W por fase. Chegando a uma potncia Total de 199500 W,
aproximadamente igual potncia necessria para um bom aquecimento da
piscina[17].
6.6.3 - Anlise do desempenho do sistema com controle On-Off.
De acordo com especificao de controladores de temperatura, o nvel mnimo de
histerese usual de 1 C [14], ento se o aquecedor for programado para funcionar a
25 C tem-se uma faixa de operao, onde:
24 C< Toper
-
- Perdas por conveco.
Com Km
Wh = 209,9 , , 25,3125,1225 mA == CT 10= e utilizando a
equao 6 do item 6.1.2 tem-se:
Q Wconv 25,28406=
- Perdas por radiao. Considerando que a emissividade da gua entre 20 e 30 C 0,96[10].
Calculam-se as perdas por radiao. De acordo com as equaes 7 e 8 do item.
6.1.3. Com T e TKCw 29825 == KCamb 28815 == , tem-se: ( ) ( )2882982882981067,596,0 228 ++= xxH r
KmWH r = 2478,5
Ento, usando a equao 7 do item 6.1.3:
10478,55,312 == THAQ rrad WQrad 60,17119=
- Perdas por evaporao. Para 25 C, interpolando linearmente os valores da tabela 7, tem-se:
215465,0 mh
kgM p =
Com 25,312 mA = tem-se:
skg
hkgM p 013,033,48 ==
Com kgkJH lv 3,2442= [3], e utilizando a equao 9 tem-se:
WQevap 7,3256824423000134,0 == Ento, a perda total de calor ser:
25,2840660,1711970,32568 ++=++= evapradconv QQQQ . WQ 55,78094=
Considerando o sistema em regime permanente a potncia de aquecimento sendo
199,5 KW e as perdas em 78094,55 W, tem-se uma potncia til de 121405,45 W. E com
isto encontram-se o tempo gasto e a energia para aquecimento at o ponto de histerese
- 47 -
-
superior, bem como o tempo de resfriamento at o ponto de histerese inferior, totalizando
assim a faixa de operao do aquecedor neste caso.
Utilizando a equao de quantidade de calor que segue:
T
tVC pQ
= (15)
onde:
V = Volume da piscina , em m
= Densidade da gua em kg/m Cp = Calor especfico da gua, em kJ/kg C
t = Variao de temperatura em C T = Variao de tempo em s Q = Quantidade de calor transmitida em W
Utilizando-se a equao 15, considerando 3100 mkg= ,V t = 1 C, 325,406 m=
Q =120882,3 W e . Encontra-se o tempo de aquecimento: aqtt =
( )45,121405
125,4061000 = paqC
t com CkgJ
p .4190=C tem-se:
staq 7,14020=
Utilizando-se a equao 15, considerando 3100 mkg= ,V t = 1 C,
Q =78094,55 W e . Encontra-se o tempo de resfriamento:
325,406 m=
rett =
( )55,78094
125,4061000 = preC
t com CkgJC p .4190= tem-se:
stre 45,21796=
Assim, o tempo para sair do nvel mnimo de histerese para o nvel mximo de
histerese ser e, o tempo para sair do nvel mximo de histerese para o
nvel mnimo de histerese ser de
staq 4,280412 =stre 9,435922 = . Ento se gastam 7,79 horas de
- 48 -
-
aquecedor com potncia total (Ton) e 12,11 horas do aquecedor desligado(Toff). O ciclo de
trabalho em regime permanente ser:
100(%) += offonon
t TTTC (16)
Com os valores de T e T calculados encontra-se = 39,15 % on off tC
Para calcular o consumo dirio do sistema considera-se a seguinte expresso:
CtdPE ..= (17) onde:
P = potncia do aquecedor em kW.
d = durao do dia em horas
Ct = Ciclo de trabalho calculado pela equao 16
E= energia em kWh/dia
Considerando kWP 200= , d horas24= e 3915,0=tC tem-se: 3915,024200 =E
diakWhE 2,1879=
Este consumo o mximo para este tipo de configurao, pois, como a perda est
no seu limite mximo projetado, o T o maior para que esta perda seja suplantada. on
As desvantagens deste tipo de controle so:
- Erro de estado estacionrio elevado que acarreta pssima regulao de
temperatura
- Chaveamento de altas correntes com dispositivos eletromecnicos que provoca
picos na rede eltrica, alm de desgaste mecnico devido ao nmero de
manobras (alto custo de manuteno).
O tipo de controle indicado para corrigir estas distores o controle PI.
6.7 - Controle PI.
No controle PI, o tempo de resposta muito menor que o tempo do controle ON-
OFF, por isto a potncia entregue a carga pode ser igual apenas s perdas trmicas da
piscina. Alm disto, o controle PI tem como caracterstica a minimizao do erro
estacionrio. O controle da potncia entregue a carga feito pelo comando de circuitos
gradadores, utilizando para disparo uma estrutura com CI TCA785, onde o sinal de
controle seria a sada do controlador PI.
- 49 -
Nesta configurao, tambm deve ser avaliada a temperatura do ar, j que as
perdas devem ser avaliadas para que a resposta do sistema seja satisfatria.
-
Utilizam-se os seguintes componentes para esta malha de controle:
- Sensor de temperatura da gua. Utiliza-se como sensor de temperatura uma sonda Pt-100, que mantm uma
boa linearidade na faixa de Zero a 100 C, fornecendo uma sada em tenso de 0 a
10 V. Esta realimentao ser comparada com a referncia gerando o sinal de erro
que ser trabalhado no controlador PI.
- Controle do disparo. O controle do disparo ser feito com um circuito utilizando o CI TCA785, para
o comando dos tiristores em anti-paralelo constantes em cada fase como descrito
na figura 19.
6.7.1 - Projeto do controlador PI. Para se projetar o controlador PI, deve-se encontrar o modelo do sistema tendo
como sada a diferena de temperatura T e entrada a potncia Trmica til Q. Num modelo sem perdas a Potncia Trmica dada por:
t
TmCt pQ
=)( (18) onde:
Q a potncia trmica, em W.
m a massa de gua, em kg.
Cp o calor especfico da gua, em J/kgC.
T a diferena de temperatura, em C. t o intervalo de tempo em que a gua aquecida, em s.
Aplicando a Transformada de Laplace, para passar para o domnio da freqncia
tem-se:
Q )(...)( sTsCms p= (19)
Que implica na seguinte funo de transferncia:
smCsQ
sTp
1)()( = (20)
Atribuindo os valores de m e Cp tem-se a seguinte funo de transferncia:
sxsQ
sT910702,1
1)()( = (21)
- 50 -
-
A funo de entrada Q(s), num sistema em que as perdas so consideradas,
dever ser a potncia trmica til, que ser dada por:
)()()( sicasPerdastrmsPsQ elet = (22) O Prximo passo ser a modelagem das perdas, j que a Potncia eltrica
facilmente calculada por 3RI2.
6.7.2 - Modelagem das perdas trmicas.
6.7.2.1 - Conveco:
Considerando a equao 6, tem-se:
Qconv (t) = h x A x t Passando para o domnio da freqncia tem-se:
Q )()( sTAhsconv = (23) Atribuindo Valores de projeto para a equao acima se tem:
Q )(.65,2840)( sTsconv = (24) 6.7.2.2 - Radiao. Para encontrar a funo que relaciona perdas com a variao de temperatura,
deve-se utilizar o MATLAB para encontrar uma funo que represente satisfatoriamente o
comportamento do sistema.
Considerando as equaes 7 e 8, fazendo a temperatura variar at 10 K acima da
temperatura ambiente de referncia utilizando o script no MATLAB constante do anexo A
encontra-se o comportamento mostrado na figura 13.
Figura 13 - Perdas Por radiao. - 51 -
-
Utilizando a aproximao polinomial encontra-se a seguinte expresso para perdas
por radiao:
Q )(17119)( sTsrad = (25) 6.7.2.3 Evaporao. Considerando que a Taxa de Evaporao depende basicamente da temperatura
ambiente e utilizando e o MATLAB para manipular os dados do calor latente
de vaporizao [3], encontra-se uma funo que relaciona as perdas de evaporao com
a variao de temperatura. De acordo com o grfico abaixo:
CTw 25=
Figura 14 Perdas por evaporao. Que denota a seguinte expresso no domnio da freqncia:
)(155048176)( sTsQevap = (26)
6.7.2.4 - Total. Para totalizar as perdas trmicas, executa-se a seguinte operao:
Perdas(s) =Qconv(s)+Qrad(s)+Qevap(s) (27)
- 52 - Utilizando os Itens calculados anteriormente, tem-se:
-
48176)(6,18409)( += sTsPerdas (28) Com as Perdas definidas, pode-se encontrar o modelo das perdas eltricas do
sistema que ser:
48176)(6,18409)()( = sTsPs eletQ (29) Levando a equao 29 na equao 22 tem-se:
sxsTsP
sTelet
910702,11
48176)(.6,18409)()( = (30)
Manipulando algebricamente tem-se:
)(10702,148176)(6,18409)( 9 ssTxsTsPelet = (31) Pelet (s) = (1,702 x 109 s +18409,6)T(s) +48176 (32)
Pelet (s) 48716 =(1,702 x 109 s +18409,6) T(s) (33)
Considerando o termo independente de T(s) como sendo uma perturbao ao
sistema, pode-se introduzir o conceito de potncia til como sendo o termo Pelet (s) 48716,
ento:
6,1840910702,1
1)(
)(9 += ssP
sTutil
(34)
6.7.3 - Definio dos parmetros do controlador. Com este sistema e utilizando o MATLAB encontra-se a resposta para degrau
unitrio como descrito na figura 15.
Figura 15 Resposta do sistema ao degrau unitrio.
- 53 -
-
Encontra-se um erro de estado estacionrio enorme, aproximando-se de 100%,
ento o sistema intrinsecamente lento para responder a um degrau unitrio sem
utilizao de compensao.
Utilizando o mtodo de projeto de controladores PI, considerando a
relao )(2 sKK
p
i = [5],(s=plo de primeira ordem) com ,ento 510081,1 =s
51016,2 =p
i
KK com Kp=100, tem-se , tem-se o seguinte sistema: 31016,2 =iK
Figura 16 - Sistema com controlador PI usado na simulao.
6.7.4 - Anlise do desempenho do sistema com controlador.
Com a entrada de degrau de 1 C, que equivale a 0,1 V tem-se os seguintes
resultados, considerando saturao = 10 V, encontra-se a seguinte resposta do sistema a
um degrau.
- 54 -
-
Figura 17 - Sada do sistema.
Como a base de tempo da simulao 1ms. O tempo de assentamento aproxima -
se de 40000 s = 11,11 horas. O sistema torna-se mais lento que o controle ON OFF,
mas tem um erro bem menor que faz com que a energia consumida neste sistema seja
menor em relao ao primeiro caso.
Ento, considerando o comportamento do sistema, tem-se que em regime
permanente, a potncia mdia aplicada deve ser igual s perdas do sistema. O consumo
ser avaliado de acordo com as perdas. Considerando as perdas mximas, encontra-se a
potncia mdia mxima = 78094,55 W. Acarretando em um consumo dirio de 1874,26
kWh. Ento o pior caso do controlador PI tem consumo igual ao controle ON-OFF.
Portanto, o consumo do sistema com controle PI ser sempre menor ou igual ao consumo
do sistema com controle ON-OFF justificando assim sua aplicao pelo ponto de vista
econmico.
6.7.5 - Tipologia dos circuitos para regulao da potncia. Para controle da potncia entregue carga, utiliza-se um circuito com o CI TCA785
(figura 19) para gerao do pulso de disparo de cada par de tiristores em antiparalelo de
cada fase do sistema conforme descrito na figura 18. Alm disso, deve ser utilizada uma
carga ligada em Y, equivalente ligao delta da figura 12, pois necessita - se da tenso
fase-neutro para sincronia do mdulo de disparo, sendo que a potncia regulada mxima
que ser entregue neste circuito ser igual potncia entregue a carga representada na
figura 12.
- 55 -
-
H a necessidade de se adaptar a sada do controlador com a entrada do TCA
785, pois, no ltimo caso, o nvel zero representa 100% da potncia aplicada na carga
(ngulo de disparo = 0) e o nvel associado a 10 V representa o ngulo de disparo =
180, ausncia de potncia entregue a carga. Este circuito est representado na figura 20.
Comportamento oposto sada do controlador PI.
220 V
b c
0 ,243
a
0 ,243 0 ,243
Figura 18 Circuito gradadores para regulao da potncia entregue carga.
O circuito da figura 19 utilizado para controle do ngulo de disparo dos tiristores
em antiparalelo. Seu funcionamento bem simples: h a gerao de uma rampa de
sincronismo com perodo determinado pela constante de tempo pela associao do
resistor ligado no terminal 9 e do capacitor do terminal 10, compara-se esta rampa com o
sinal de referncia do terminal 11, quando a referncia se torna inferior ao valor da tenso
da rampa, h a gerao dos pulsos tanto no ciclo positivo quanto no negativo.
- 56 -
-
SINAL DO ADAPTADOR11
47 K 8nF
BAY61
BAY61
1M5
5
15
14
109
TCA 785 180 R180 R
13616
GATE T1 SEMICICLO POSITIVO
GATE T2 SEMICICLO NEGATIVO
10 V
127 V CA
1
Figura 19 Circuitos de disparo dos tiristores
Pelo fato da sada do controlador PI variar de 0 a 10 V, sendo que o limite inferior
de tenso representa a potncia mnima e o limite superior mxima e no circuito de
disparo dos tiristores (figura 19) esta relao inversa, tornando se necessria
utilizao do circuito adaptador do sinal entre controlador e circuito de disparo (figura 20)
para que sejam adaptados a variao do sinal do controlador PI e o sinal de sada do
circuito de disparo dos tiristores (figura 19).
Figura 20 - Adaptador do sinal entre controlador e circuito de disparo.
- 57 -
-
7- CONCLUSO.
Este trabalho apresentou o estado da arte em tecnologia de aquecimento de gua,
relatou os tipos de aquecedores e seus parmetros de classificao, alm de enfocar o
projeto de aquecimento eltrico e a anlise de todas as variveis importantes para
dimensionamento e funcionamento do sistema.
Considerando as pesquisas em artigos de universidades, observou-se que
trabalhos que relatem e compilem em um s volume so raros. Este trabalho pode tornar-
se um bom objeto de pesquisa rpida e simplificada sobre este tema.
- 58 -
-
Anexo A - Scripts do matlab
1 Clculo das Perdas por radiao. dt=[0:.1:10]
>> tsup=288
>> tsup2=tsup*tsup
>> tw=tsup+dt
>> tw2=tw.*tw
>> tsup2=tsup*tsup
>> hr=0.96*5.67e-8*((tw2+tsup2).*(tw+tsup))
>> q=312.5*hr.*dt
>> plot (dt,q)
2 - Perdas por evaporao
> p=[.1588 .1505 .1417 .1324 .1276 .1173]
>> x =[24.4 25.6 26.7 27.8 28.9 30.0]
y = polyfit (x,p,1)
tw = [15:.1:25]
m = polyval(y,tw)
m1=m*312,5
m2=m1/3600
h25=2440320
qev=h25*m2
dt =[ 0:.1:10]
qevap = polyfit (dt,qev)
plot(dt,qevap)
- 59 -
-
Referncias bibliogrficas:
[1]. TOLMASQUIN, Maurcio Tiomno. Energias renovveis de energia no Brasil. Rio de Janeiro. Ed intercincia. CENERGIA, 2003,
[2]. PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. So Paulo, Editora Hemus. 1981.
[3]. SCHMIDT, Frank W.; HENDERSON, Robert E.; WOLGERMUTH, Carl H.; Introduo s cincias trmicas : termodinmica, mecnica dos fludos e transferncia de Calor. So Paulo, Editora Edgard Blcher, 1996.
[4]. MAMEDE FILHO, Joo; Instalaes eltricas industriais. Rio de Janeiro, Editora LTC, 2002.
[5]. DORF, Richard C.;BISHOP, Robert H.; Sistemas de controle modernos. Rio de Janeiro, Editora LTC, 2001.
[6]. CREDER, Hlio; Instalaes hidrulicas e sanitrias. Rio de Janeiro, Editora LTC, 2002.
[7]. MELO, Vanderley de Oliveira; NETTO, Jos M. de Azevedo; Instalaes prediais hidrulico sanitrias. So Paulo, Editora Edgard Blcher LTDA, 1988.
[8]. TIPOS de aquecedores. Disponvel em .Acesso em 16
jan.2006.
[9]. AQUECIMENTO de gua por energia solar. Disponvel em . Acesso em 2 set. 2005.
[10]. DIMENSIONAMENTO de um sistema de aquecimento de uma piscina trmica.
Disponvel em . Acesso em 29 ago.2005. [11]. PRODUTOS solartec. Disponvel em . Acesso em 20
out.2005.
[12]. MANUAL dos aquecedores. Disponvel em Acesso em 15/jan/2006.
[13]. PANORAMA do gs natural. Disponvel em Acesso em 15 jan. 2006.
[14]. SISTEMAS de controle de temperatura. Disponvel em Acesso em 29 ago.2005.
[15]. PROJETO piscinas. Disponvel em Acesso em 29 ago.2005. [16]. AQUECIMENTO geral. Disponvel em Acesso em
28 mar.2005.
[17]. RESISTNCIAS industriais. Disponvel em Acesso em 21 de agosto de 2005.
- 60 -