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Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica

Área de Concentração – Termociências

Análise da eficiência de aquecedor solar espiral com e sem efeito estufa

para piscinas.

Natal – RN

Fevereiro 2010

Universidade Federal do

Rio Grande do Norte

Programa de Pós-Graduação

em Engenharia Mecânica

Livros Grátis

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Joel Nogueira Gonçalves

Análise da eficiência de aquecedor solar espiral com e sem efeito estufa

para piscinas.

Dissertação de conclusão do curso de pós graduação

nível mestrado, em engenharia mecânica, área de

concentração Termociências, na UFRN –

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, sob a

orientação do professor doutor José Ubiragi de

Lima Mendes, e co-orientação professor doutor

Georges Souto Rocha.

Natal – RN

Fevereiro 2010

Joel Nogueira Gonçalves

Gonçalves, Joel Nogueira

Análise da eficiência de aquecedor solar espiral com e sem efeito estufa para piscinas.

70 Páginas

DISSERTAÇÃO APRESENTADA NO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO NÍVEL

MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA, ÁREA DE CONCETRAÇÃO

TERMOCIÊNCIAS, NA UFRN – UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO

NORTE, MODALIDADE MINTER COM CEFET-BA - CENTRO FEDERAL DE

EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA

Palavras chave: energia solar, efeito estufa, eficiência, coletor espiral piscina.

Natal-RN. Fevereiro 2010

Aprovada em ____/_______/______

BANCA EXAMINDADORA

_______________________________________________________

ORIENTADOR – Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes (UFRN)

____________________________________________________________

COMPONENTE – Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza (UFRN)

__________________________________________________________

COMPONENTE – Prof. Dr. Roberto Silva de Souza (IFRN)

.

DEDICATÓRIA

A minha esposa e meus filhos, por

compreenderem e apoiarem com tanto

carinho minhas ausências do convívio

familiar, e pelo incentivo para que mais esta

etapa de construção de conhecimento fosse

concretizada, e em especial ao meu pai †, que

não está mais aqui para compartilhar comigo

esta conquista.

AGRADECIMENTOS

Com muito carinho e respeito agradeço ...

... a Deus, por ter me dado, força e

discernimento para chegar até aqui,

... aos meus familiares, pelo apoio, incentivo

e compreensão, principalmente quanto ao

distanciamento provocado,

... aos professores pelas inestimáveis

contribuições na construção deste projeto,

... aos colegas pelos bons momentos de

convivência e por todas as superações que

juntos realizamos nesta jornada acadêmica,

....ao professor Luiz Guilherme, por

compartilhar sua tenacidade e determinação,

....ao professor Georges Rocha, pelo incentivo

e apoio,

.....ao meu orientador, professor José Ubiragi,

por conseguir me passar um pouco de seu

conhecimento e equilíbrio.

.... sem esses pilares para me apoiar, certamente não conseguiria escalar mais este degrau.

“Não basta ensinar ao homem uma especialidade,

porque se tornará assim uma máquina utilizável e

não uma personalidade. É necessário que adquira

um sentimento, senso prático daquilo que vale a

pena ser empreendido, daquilo que é belo, do que é

moralmente correto”... ...”Tenha em mente que

tudo que você aprende na escola é trabalho de

muitas gerações. Receba essa herança, honre-a,

acrescente a ela e, um dia, fielmente, deposite-a nas

mãos de seus filhos”... ...“A mente que se abre a

uma nova idéia jamais volta ao seu tamanho

original”...

Albert Einstein

RESUMO

A viabilidade técnica e econômica do aquecimento solar para piscinas é inquestionável,

além da substituição da energia elétrica convencional, de altos custos e impactos ambientais, gera

uma otimização do uso da piscina. Este trabalho aplica os princípios do efeito estufa: isolação

termodinâmica, retenção do calor e equalização da temperatura interna, busca otimizar o

equipamento de aquecimento solar, reduzindo a área requerida pelos coletores em até 40% (valor

ainda estimado) em relação aos coletores comerciais, com menores impactos estéticos e

arquitetônicos que são negativos no ambiente. Apresenta um sistema solar de aquecimento

alternativo em piscinas, que tem como principais características; baixo custo, simplicidade nos

processos de fabricação e montagem e um aquecimento mais rápido. O sistema é constituído por

dois coletores espirais construídos em tubos flexíveis de polietileno, com extensão de 100 metros

cada uma, e trabalha em regime de fluxo forçado, com apenas uma passagem do fluido de

trabalho no interior das espirais, e é utilizada a própria bomba de tratamento de água da piscina

para a obtenção do fluxo pretendido. Um dos coletores será exposto diretamente à radiação solar,

e o outro será coberto por um lamina de vidro e fechado lateralmente, de forma propiciar o efeito

estufa. Os equipamentos serão instalados em paralelo e expostos simultaneamente ao sol, de

forma se obter dados comparativos de suas eficiências. Serão apresentados resultados térmicos de

ensaios realizados para os dois casos, com e sem cobertura transparente. Serão demonstradas

comparativamente, as viabilidades térmica, econômica e de materiais destes sistemas para

aquecimento de piscinas.

Palavras Chave: energia solar, efeito estufa, eficiência, coletor espiral piscina.

ABSTRACT

The technical and economic viability of solar heating for swimming pools is

unquestionable, besides there it replaces the high costs and environmental impacts of

conventional supply of energy, and it improves an optimization in the pool heating uses. This

work applies the principles of the greenhouse effect: advanced thermodynamics, heat retention

and equalization of temperature, to optimize the solar heating equipment, reducing the area

required by collectors as much as 40% (still estimated value) for commercial collectors, with

minor architectural and aesthetic impacts on the environment. It features a solar heating

alternative in pools, whose main characteristics: low cost, simplicity in manufacturing and

assembly and a faster heating. The system consists of two collectors spiral hoses made of

polyethylene with a hundred meters each, and working on a forced flow, with only one pass of

the working fluid inside the coils, and is used to pump itself treatment of pool water to obtain the

desired flow. One of the collectors will be exposed to direct solar radiation, and the other will be

covered by a glass slide and closed laterally, so providing the greenhouse effect. The equipment

will be installed in parallel and simultaneously exposed to the sun in order to obtain comparative

data on their effectiveness. Will be presented results of thermal tests for this the two cases, with

and without transparent cover. Will be demonstrated, by comparison, the thermal, economic and

material feasibility of these systems for heating swimming pools.

Key-Words: solar energy, greenhouse effect, efficiency, collector spiral swimming pool.

SUMÁRIO

Lista de Figuras........................................................................................................ 12

Lista de Tabelas........................................................................................................ 13

Nomenclatura.................................................................................................... ........ 14

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................. 15

1.1. Energia solar ..................................................................................................... 15

1.2. Energia solar e aquecedores de água para piscinas em polietileno ................. 17

1.3. Objetivos e apresentação do estudo.................................................................. 18

CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................... 20

2.1. A importância das energias renováveis.............................................................. 20

2.2. A importância da energia solar.......................................................................... 20

2.3. O Aquecimento de Piscina................................................................................ 22

2.4. Sistemas de coletores solares para piscinas....................................................... 22

2.5. Coletor solar e efeito estufa............................................................................... 23

2.6. Categorias de coletores solares para aquecimento de piscinas.......................... 24

2.7. Polietileno, análise e quantificação da degradação........................................... 29

CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS......................................................... 33

3.1.Processo construtivo dos equipamentos coletores solares.................................. 33

3.1.1. Definição do tubo e diâmetro do equipamento............................................... 33

3.1.2. Construção do primeiro modelo..................................................................... 34

3.1.3. Distribuição do tubo de polietileno flexível.................................................... 35

3.1.4. Instalação de isolação térmica inferior e sustentação..................................... 35

3.1.5. Instalação da cobertura de vidro (Efeito Estufa)............................................ 36

3.2. Montagem e teste preliminar dos equipamentos.............................................. 37

3.2.1. Aferição dos sensores de temperatura............................................................ 37

3.2.2. Instalação de sensores de temperatura e vedação lateral................................ 37

3.2.3. Instalação dos coletores em local definitivo................................................... 38

3.3. Sistema de aquisição de dados........................................................................... 39

3.3.1. Aquisição de dados do fluido de trabalho (água)............................................ 39

3.3.2. Aquisição de dados das superfícies externas.................................................. 40

3.3.3. Temperatura do fluido nas configurações I e II – Entrada e Saída................ 40

3.3.4. Evolução da temperatura do fluido ao longo da espiral................................. 41

3.3.5. Medição de Vazão........................................................................................... 43

3.4. Desenvolvimento teórico................................................................................... 44

3.4.1. Determinação dos parâmetros térmicos.......................................................... 44

3.4.2. Coeficiente global de perdas........................................................................... 44

3.4.3. Determinação do rendimento térmico............................................................. 45

CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES................................................ 46

4.1. Eficiência térmica dos coletores estudados....................................................... 46

4.1.1. Configuração I - Coletor sem cobertura.......................................................... 46

4.1.2. Configuração II - Coletor com cobertura........................................................ 50

4.2.– Evolução da temperatura do fluido ao longo do coletor resultados................. 54

4.2.1. Configuração I – Coletor sem cobertura......................................................... 54

4.2.2. Configuração II – Coletor com cobertura ...................................................... 55

4.3. Resultados dos parâmetros de perda térmica dos coletores estudados ............ 56

4.3.1. Perdas térmica – Configuração I .................................................................... 57

4.3.2. Perdas térmica – Configuração II ................................................................... 58

4.4. Comparação entre as duas configurações estudadas.......................................... 59

4.5. Análise técnico-econômica do sistema de aquecimentos estudado................... 59

CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES.................................................. 62

5.1. Conclusões......................................................................................................... 62

5.2. Sugestões........................................................................................................... 62

Referencias Bibliográficas........................................................................................ 64

Anexo I. Patente coletor aberto espiralado.............................................................. 69

Anexo II. Dimensões de cada espiral do coletor .................................................... 70

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Configuração básica de um aquecedor solar para piscinas......................... 24

Figura 2.2. Coletores Planos infláveis........................................................................... 25

Figura 2.3. Coletores Tubulares de Piso....................................................................... 26

Figura 2.4. Coletores Espirais em tubos Flexíveis....................................................... 26

Figura 2.5. Coletores solares de placas rígidas. Placa e sistema composto................. 27

Figura 2.6. Coletor solar de tubos a vácuo do tipo heat-pipe....................................... 27

Figura 2.7. Coletor de tubos de PVC conectados em série.......................................... 28

Figura 2.8. Coletor de tubos PVC em labirinto............................................................ 28

Figura 2.9. Reação básica de polimerização para formação do polietileno................. 29

Figura 2.10. Gráfico Índices de carbonila em amostras PEBD expostas a UV........... 31

Figura 3.1. Equipamento comercial e desenho constante da patente MU8500181-3.. 33

Figura 3.2. Desenho referencial dos diâmetros externo e interno................................ 34

Figura 3.3. Estrutura metálica para montagem das espirais......................................... 34

Figura 3.4. Espiral montada com fixação provisória das espiras................................. 35

Figura 3.5. Disco de sustentação e isolação em madeirite........................................... 36

Figura 3.6. Suportes para fixação e apoio do disco de vidro à base de madeira......... 36

Figura 3.7 Montagem inicial à borda da piscina com detalhe dos registros............... 37

Figura 3.8. Instalação dos Termopares e vedação lateral............................................. 38

Figura 3.9. Instalação dos equipamentos em local definitivo...................................... 38

Figura 3.10. Termômetro TM-744R e sistema de aquisição de dados automático...... 39

Figura 3.11. Pontos medição temperaturas fluido entrada/saída configurações I e II 40

Figura 3.12. Pontos de medição de temperaturas do fluido ao longo da espiral......... 42

Figura 3.13. Detalhe dos equipamentos instalados com e sem efeito estufa............... 43

Figura 3.14. Sistema de medição e controle de vazão................................................. 44

Figura 4.1 Gráfico gradiente de temperatura – Configuração I SEM cobertura......... 50

Figura 4.2 Gráfico gradiente de temperatura – Configuração II COM cobertura....... 54

Figura 4.3 Gráfico - Temperatura ao longo da espiral – Config, I – SEM cobertura.. 55

Figura 4.4 Gráfico - Temperatura ao longo da espiral – Config, II – COM cobertura 56

Figura 1 Anexo I. Coletor Espiralado Patente............................................................ 69

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1. Propriedades químicas típicas de diferentes polietilenos......................... 30

Tabela 2.2. Propriedades típicas de diferentes polietilenos........................................ 31

Tabela 4.1. Dados do PRIMEIRO dia de ensaio – Configuração I........................... 46

Tabela 4.2. Dados do SEGUNDO dia de ensaio – Configuração I........................... 47

Tabela 4.3. Dados do TERCEIRO dia de ensaio – Configuração I.......................... 47

Tabela 4.4. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração I............................. 48

Tabela 4.5. Dados do QUINTO dia de ensaio – Configuração I.............................. 48

Tabela 4.6. Resultados médios gerais – Configuração I (sem cobertura).................. 49

Tabela 4.7. Dados do PRIMEIRO dia de ensaio - Configuração II......................... 50

Tabela 4.8. Dados do SEGUNDO dia de ensaio - Configuração II......................... 51

Tabela 4.9. Dados do TERCEIRO dia de ensaio - Configuração II.......................... 51

Tabela 4.10. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração II.......................... 52

Tabela 4.11. Dados do QUINTO dia de ensaio – Configuração II............................ 52

Tabela 4.12. Resultados médios gerais – Configuração II (com cobertura).............. 53

Tabela 4.13. Evolução do fluxo no melhor dia (terceiro dia)- Configuração I.......... 54

Tabela 4.14. Evolução do fluxo no melhor dia (terceiro dia)- Configuração II......... 55

Tabela 4.15. Resultados médios gerais de ensaio de cada configuração estudada.... 59

Tabela 4.16. Materiais utilizados e custos - configuração I....................................... 60

Tabela 4.17. Materiais utilizados e custos - configuração II...................................... 60

Tabela 1.Anexo II. Dimensões das espirais do coletor.............................................. 70

NOMENCLATURA

A = área do coletor (área exposta à

radiação solar) em m

2

ap = absortividade da placa

cp = calor específico da água em KJ/kg . K.

T = gradiente de temperatura entre entrada e saída do fluido no coletor(oC).

HCl = acido clorídrico

I = radiação solar globa (KW/m2)

MCA = metros de coluna de água

Pabs. = potência absorvida pelo coletor(W)

Pp = potência perdida pelo coletor(W)

Pu = potência transferida ao fluido de trabalho(W)

PVC = cloreto de polivinila

PEAD = polietileno de alta densidade

PEBD = polietileno de baixa densidade

PEUAPM = polietileno de ultra alto peso molecular

m = vazão mássica (kg/s)

t = rendimento térmico do coletor e/ou sistema(%)

Tamb = temperatura ambiente (K)

Tmpi = temperatura média da superfície externa inferior da placa absorvedora (K)

Te = temperatura média da superfície superior da placa absorvedora (K)

τv = transmissividade do vidro

U cima = coeficiente global de perda térmica pela cobertura (W/m2. K)

Ubaixo = coeficiente global de térmica pelo fundo do coletor (W/m2. K)

Uloss = coeficiente global de perda térmica (W/m2.K)

UV = ultra violeta

15

Joel Nogueira Gonçalves Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica PPGEM UFRN

CAPITULO 1. INTRODUÇÃO

1.1 Energia Solar

A demanda global por energia cresce acompanhada do desenvolvimento industrial e do

crescimento populacional, especialistas prevêem ainda um crescimento desta demanda de 50%

até 2030.

Com a ênfase dada às questões ambientais, que atingem níveis insustentáveis a partir da

concretização das previsões científicas, que tem ocorrido até mesmo de forma antecipada, o

mundo desenvolvido prioriza a utilização das energias limpas e renováveis. Nesse contexto a

energia solar tem merecido um destaque especial, com todos os países desenvolvidos investindo

massivamente na pesquisa e aprimoramento de tecnologias solares mais eficientes e com maior

viabilidade econômica. Estados Unidos, Japão, China, Alemanha, Inglaterra, Portugal e Espanha,

são países que têm priorizado o uso dessas tecnologias energeticamente limpas e possuem metas

de substituição das energias fósseis preestabelecidas para curto e médio prazo. (TRENDS IN

RENEWABLE ENERGIES, 2008);

O nordeste brasileiro apresenta um potencial solar bastante significativo, correspondente a

uma disponibilidade média que se situa na faixa de 500 a 700 W/m2, conforme Atlas de

Irradiação Solar do Brasil. A região nordeste é privilegiada em relação ao potencial solar,

apresentando dias ensolarados e baixa nebulosidade na maior parte do ano, propícios para a

utilização da energia solar como fonte de aquecimento. Em quase todo o Brasil as condições para

uma aplicação massiva da energia solar, para a substituição de combustíveis fósseis são

extremamente viáveis.

A captação e utilização da energia solar ocorrem através de processos passivos e ativos.

Nos processos passivos com técnicas de projetos arquitetônicos, utilizam-se: correntes

convectivas, micro-climas, iluminação natural, sombreamentos, melhor aproveitamento de

condições climáticas e hábitos regionais, de forma promover naturalmente o aquecimento,

resfriamento e iluminação de ambientes, reduzindo assim a utilização de iluminação artificial,

refrigeradores e aquecedores. Os processos ativos são aqueles onde se empregam equipamentos

destinados especificamente a este fim, e suas formas mais comuns são as de conversão da energia

solar em energia química, energia elétrica e energia térmica.

16


I - Conversão em energia em química.

As formas mais importantes de conversão em energia química são os processos foto-bio-

químicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam de carbo-hidratos a

partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e a armazenando em forma de

ligações químicas (fotossíntese). Essa energia dissipa-se através da cadeia alimentar e, em última

instância é re-irradiada ao espaço. A queima de combustíveis fósseis e lenha é também uma

forma de uso da energia sintetizada pelas plantas. Estes processos caracterizam uso indireto de

energia solar.

II - Conversão em energia elétrica.

A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre quando a radiação do sol

atinge determinados materiais e seus elétrons são estimulados, é o efeito fotoelétrico, fenômeno

descrito por Hertz em 1887 e explicado por Einstein em 1905. Este efeito foi ampliado com a

utilização das chamadas células solares, ou junções p-n de semicondutores (Hinrichs, 2003). Há

ainda conversão indireta de energia solar em elétrica, como a produção de energia elétrica através

do aproveitamento da energia eólica - a movimentação de massas de ar ocorre devido ao

aquecimento da atmosfera pelo sol. A energia hidrelétrica também é conversão da energia solar

em energia elétrica, pois a energia potencial gravitacional da água, utilizada para geração de

energia elétrica é fornecida pelo sol quando da evaporação da mesma. A energia elétrica é pouco

utilizada diretamente, é usualmente convertida em outras formas de energia para uso como;

energia luminosa, energia cinética, energia térmica, e outras.

III - Conversão em energia térmica.

Os métodos de conversão da energia solar em energia térmica fundamentam-se na

absorção da energia radiante por uma superfície negra. Este pode ser um processo complexo, que

varia segundo o tipo de material absorvente. Envolve difusão, absorção de fótons, aceleração de

elétrons, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento, ou seja, a energia radiante se

transforma em calor. As moléculas das superfícies se excitam, ocorrendo um incremento na

temperatura. As substâncias que possuem absortância próximas à unitária são: o negro de fumo, a

platina negra e o bismuto negro, absorvendo de 0,98 a 0,99 da radiação total incidente. Um corpo

que possui refletância e transmitância nulas é considerado um “corpo negro” (Kern,1980).

17


1.2 - Energia solar e aquecedores de água para piscinas em polietileno.

O aquecimento solar de água de piscinas quer para uso terapêutico ou de conforto,

constitui-se em uma das mais viáveis aplicações da energia solar, em função das vantagens de

economia e eficiência que apresenta em relação a outros sistemas que utilizem energias

convencionais.

Ao se optar pelo uso de plásticos, como elemento absorvedor e condutor de calor, faz-se

necessária a investigação do material nas suas propriedades, aplicações, composição e

principalmente os efeitos das degradações térmicas e por ultravioleta, inerentes à exposição de

tubos plásticos aos efeitos da radiação solar.

Embora vários aditivos possam ser empregados no combate a estas degradações, resolveu-

se evitá-las através de soluções simples e inovadoras, capazes de viabilizar o presente estudo no

campo dos materiais, a partir da utilização de tubos disponíveis no mercado.

Espera-se que o maior volume de água contido no coletor, em função de uma maior área de

tubos absorvedores e a elevada vazão amenize os efeitos da degradação térmica, não sendo

atingida a temperatura crítica para início da degradação térmica, em torno de 60°C. O efeito

degradativo por UV pode ser também minimizado através do uso de uma película protetora, que é

a própria tinta a ser utilizada para aumentar o poder de absorção dos tubos, quando submetidos à

energia eletromagnética do sol.

Os coletores geralmente utilizados para o aquecimento de piscina devem ser capazes de

manter a piscina com uma temperatura em torno de 30°C, sendo utilizados vários modelos e

materiais para esse fim.

Os tubos de polietileno são bastante utilizados nesses sistemas por apresentarem boa

resistência aos efeitos degradativos da sua exposição à radiação solar.

Os sistemas solares para aquecimento de piscina geralmente trabalham em regime de fluxo

contínuo com apenas uma passagem da água pelo coletor. Utilizam bombeamento para a

promoção do fluxo forçado, usualmente o sistema aquecedor solar é acoplado à própria bomba do

sistema de tratamento da piscina. Os mais convencionais necessitam de grandes áreas de tubos

absorvedores, geralmente formando grades absorvedoras na configuração série-paralelo, com

uma relação de 50% entre área da piscina e a área de superfície absorvedora para piscinas

cobertas por manta e 60% para a piscina descoberta.

18


Os equipamentos comercialmente disponíveis não utilizam cobertura transparente para a

geração de efeito estufa, o que simplifica os processos de fabricação e montagem

significativamente.

1.3 – Objetivos e apresentação do estudo

1.3.1. Objetivo geral

Estudar a viabilidade da utilização do efeito estufa em sistemas solar de aquecimento

alternativo de baixo custo para piscinas. O sistema é composto por dois coletores espirais

construídos em tubos flexíveis de polietileno nas funções de absorvedor e condutor de calor,

sendo um equipamento sem cobertura transparente e o outro com cobertura.

1.3.2. Objetivos específicos

1. Desenvolver, projetar e construir um sistema de aquecimento solar para piscina de

baixo custo, com e sem utilização do efeito estufa;

2. Ensaiar tal sistema determinando o seu desempenho térmico;

3. Estudar comparativamente as viabilidades térmica, econômica do sistema de

aquecimento proposto;

4. Demonstrar a competitividade do sistema em estudo em relação a outros sistemas

convencionais;

1.3.3. Apresentação do estudo

Este trabalho estuda um sistema solar de aquecimento alternativo em piscinas, para fins

terapêuticos ou de conforto, que tem como principais características; otimização nos processos,

baixo custo, simplicidade de fabricação e montagem e um aquecimento mais rápido. O sistema é

constituído por dois coletores espirais construídos em tubos flexíveis de polietileno, com

extensão de 100 metros cada uma, e trabalha em regime de fluxo forçado, com apenas uma

passagem do fluido de trabalho no interior das espirais, e é utilizada a própria bomba de

tratamento de água da piscina para a obtenção do fluxo pretendido. Um dos coletores será

exposto diretamente à radiação solar sem cobertura transparente, e o outro será coberto por um

lamina de vidro e fechado lateralmente, de forma propiciar o efeito estufa. Os equipamentos

serão instalados em paralelo e expostos simultaneamente ao sol, de forma se obter dados

comparativos de suas eficiências.

19


Serão apresentados resultados térmicos de ensaios realizados simultaneamente para os

dois casos, com e sem cobertura transparente.

Serão demonstradas comparativamente, as viabilidades térmica, econômica e de materiais

destes sistemas para aquecimento de piscinas.

O estudo proposto está estruturado em cinco capítulos que têm as seguintes abordagens:

O capítulo 1 composto de introdução.

O capítulo 2 apresenta um estudo sobre o as publicações científicas referentes aos sistemas

solares para aquecimento de piscina e das degradações inerentes à exposição do polietileno à

radiação ultravioleta e ao calor;

O capítulo 3 apresenta a proposta em estudo, mostrando os métodos construtivos,

princípios de funcionamento e processos de fabricação e montagem, e suas diferenças em relação

aos coletores convencionalmente utilizados. Apresenta também a metodologia experimental

empregada.

O capítulo 4 mostra os resultados e as discussões dos dados obtidos no levantamento de

desempenho comparativo dos coletores com e sem cobertura.

O capítulo 5 trata das conclusões e sugestões, em função da análise dos resultados obtidos.

20


CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. A importância das energias renováveis

Olhando para o futuro, perceber-se-á que o custo da energia tende a ser sempre maior e a

crise de combustíveis fósseis e de madeira tornar-se-á mais e mais aguda. As formas de

suprimento de energia estão determinando o curso dos desenvolvimentos social e econômico

futuros. O suprimento de energia será a base para um elevado e sustentável nível de segurança e

conforto, a energia também determinará o balanço ecológico. As tecnologias e fontes energéticas

que se usam nos dias atuais influenciarão significativamente o amanhã.

Há também uma grande evidência de que a maioria das tecnologias energéticas em uso não

são ecologicamente apropriadas e tem o potencial de provocar sérias e irreversíveis mudanças

climáticas, bem como a constatação de que a quase totalidade destas fontes energéticas não são

renováveis e estão se esgotando rapidamente. Em função dessas percepções, o direcionamento às

fontes renováveis de energia é inevitável. As fontes de energia eólica, solar e de biomassa são

abundantes, amplamente distribuídas, ecologicamente atrativas e renováveis. Essas fontes não

poluem a atmosfera e não contribuem para o aumento da temperatura do planeta.

2.2. A importância da energia solar

Cada metro quadrado da superfície do sol emite cerca de 62,8 MW de energia

eletromagnética, que são lançados no espaço. A origem desta energia está em um conjunto de

reações termonucleares que ocorrem no núcleo do sol causando uma diminuição em sua massa da

ordem de 4,25 milhões de toneladas em cada segundo. Embora esse dado seja avaliado como uma

perda inimaginável seriam necessários 147 bilhões de anos (a idade de nosso sistema solar é

estimada em 8 bilhões de anos) de atividade solar, neste mesmo ritmo, para que a sua massa

sofresse uma diminuição de um por cento (1%) (BEZERRA, 2000). Para se ter uma idéia de tal

potencial basta que se faça a seguinte análise: Considere-se que a Terra recebe do sol, ao nível do

solo, no máximo 1kW/m2, embora possa atingir maiores picos em algumas regiões. Excluídas as

regiões Ártica e Antártica, ela recebe em média cerca de 3,6 kWh/m2.dia, nas massas

continentais temos uma área de cerca de 132,5 x 1012

W/m2

(SOUZA, 2002). Portanto, a

21


incidência solar sobre essas massas continentais é 4,77 x 108GWh/dia, logo, a incidência em um

ano é de 1,74 X 1011

GWh.

Considerando-se que o consumo energético anual atual corresponde a 1,5 x 108GWh,

conclui-se que a energia solar disponível nas massas continentais representa mais de 1.000 vezes

o consumo de energia da humanidade. Isso equivale a dizer que menos de 1% da energia solar

disponível nas massas continentais seria suficiente para suprir de energia à humanidade.

Considerando-se toda a área da Terra, a disponibilidade aumenta para 1,02 X 1013

GWh.

Uma vez que a luz solar está disponível em todas as regiões da Terra e pode ser usada de

forma descentralizada, a opção solar para a geração de eletricidade dispensa o caro transporte da

energia através de redes de distribuição, inerentes ao sistema convencional.

Os equipamentos solares têm um grande potencial em países tropicais, entre os quais se

encontra o Brasil, com disponibilidade equivalente a 1,13 X 1010

GWh, por possuírem

significativos potenciais solares e receberem energia solar em quase todo o ano, como acontece

no nordeste brasileiro.

A radiação solar é atualmente usada para produzir potência através de duas tecnologias:

fotovoltaica e térmica. A tecnologia fotovoltaica tem um grande potencial e parece ser um dos

mais atrativos modos de obtenção de energia no futuro. Os sistemas fotovoltaicos são atualmente

mais confiáveis e econômicos que muitas outras tecnologias energéticas por serem

independentes, descentralizados e pelas alternativas de aplicabilidade, gerando uma gama de

produtos para consumo.

Um sistema fotovoltaico pode atuar em rede ou de modo independente. São muito

importantes para o desenvolvimento de países do terceiro mundo, pela escassez de fornecimento

de energia elétrica principalmente em áreas rurais, onde a energia elétrica gerada pode ser usada

de forma descentralizada.

Os métodos para a geração de potência térmica solar são essencialmente os mesmos das

tecnologias convencionais, porém o combustível usado é a energia térmica. Ao invés do

combustível fóssil, usa-se a radiação solar. A faixa de temperatura requerida para aplicações

domésticas e comerciais pode ser suprida com as tecnologias disponíveis de conversão da energia

solar em energia térmica.

Os sistemas térmicos solares para uso principalmente doméstico não necessitam de alta

eficiência, porém para uso em aplicações industriais e comerciais já estão sendo desenvolvidos

22


sistemas de alta performance. Tais sistemas permitem a obtenção de temperaturas para pré-

aquecer a água de alimentação de caldeiras, aquecer água e ar em processos industriais e produzir

vapor para gerar potência.

2.3. O Aquecimento de Piscina

O aquecimento de água de piscinas , seja para uso terapêutico ou para conforto, constitui-

se em uma das aplicações mais viáveis da energia solar, por apresentar características de baixo

custo e fácil processo de fabricação em relação a outros sistemas que utilizam energias

convencionais.

Em Porto Seguro, região de clima temperado, local do estudo, faz se necessário o

aquecimento da água de uma piscina no período de abril a novembro, uma vez que a temperatura

da água abaixo de 23ºC torna seu uso desconfortável. Para ampliar o período de uso da piscina

com níveis de conforto adequado, usualmente são utilizados aquecedores elétrico, bastante

onerosos e de baixa eficiência térmica.

2.4. Sistemas de coletores solares para piscinas.

A utilização da energia solar para promover o aquecimento da água, em níveis capazes de

proporcionar conforto aos usuários de piscinas, e bastante viável térmica e economicamente, uma

vez que o gradiente de temperatura necessária a este fim é muito inferior aos aquecedores para

banho, possibilitando assim uso de materiais absorvedores de menor custo, como o PVC,

Polietileno, Polipropileno e outros.

Para obtenção de níveis de temperatura ideais, entre 30 e 32ºC, vários tipos de coletores

solares, tem sido utilizados em todo o mundo, tais coletores geralmente não apresentam cobertura

transparente, pelo baixo gradiente de temperatura (7 a 9ºC).

Uma vez que os coletores para aquecer água de piscinas, devem ser capazes de manter as

temperaturas acima de 30ºC, são utilizados sem cobertura ou caixa, o que os torna muito mais

econômicos que os utilizados para uso doméstico (banho). Nestes coletores normalmente de

plástico preto, que não serviriam a temperatura mais elevadas, devido às altas perdas de calor que

ocorreriam, atingem plenamente seu objetivo neste caso, com excelente rendimento. Estes

coletores sem cobertura recebem diretamente a água da piscina e a devolvem com um ligeiro

23


incremento em sua temperatura. Em um período de um dois dias de operação se alcança a

chamada temperatura de equilíbrio 30°C a 32ºC, de acordo com as condições climáticas locais.

Em regiões não muito quentes, a ação dos coletores pode ser complementada

apreciavelmente cobrindo a piscina durante os períodos sem uso, especialmente à noite, com uma

manta térmica, constituída de plástico transparente, que reduz as perdas térmicas da piscina para

o ambiente, que constituem a parcela mais significativa de perdas térmicas.

Nos dias de maior insolação, em que a temperatura das piscinas naturalmente por ação

direta do sol, se eleva até atingir 30ºC ou mais, tornando o banho desconfortável. Nestes casos,

pode-se trabalhar com os mesmos coletores durante a noite e assim resfriar a água da piscina,

transferindo seu calor para o ambiente. Esta é uma vantagem adicional muito utilizada em hotéis

e instalações turísticas, situadas em regiões muito quentes, cujas temperaturas podem provocar

desconforto.

O dimensionamento da superfície de coletores necessária requer conhecimento das

condições climáticas locais. A título de referência, para climas temperados, caso Porto Seguro, se

sugere considerar uma superfície de coletores equivalente à 60% da área da piscina, podendo-se

reduzir para 50%, nos casos de utilização de manta térmica. (Censolar, 1999).

2.5. Coletor solar e efeito estufa

Os coletores solares são conversores de energia radiante em energia térmica, que é

transferida para o fluído de trabalho, geralmente a água, são equipamentos categorizados de

acordo com processos de fabricação, aplicação, temperaturas de trabalho, e outros. O componente

do sistema de aquecimento solar de água, dedicado a captura dos raios solares é denominado de

“coletor solar”. Os coletores solares para aquecimento de água se projetam em cor escura. A cor

negra predomina, comprovando a teoria da absorção de energia segundo um corpo negro. Neste

elemento pode-se potencializar o calor, promovendo o acúmulo do mesmo se ocorrer o efeito

estufa. Para isto cria-se uma passagem transparente que pode ser de vidro, fechando-se

hermeticamente com o coletor (Stradulis, 2003).

24


2.6. Categorias de coletores solares para aquecimento de piscinas

No segmento de aquecedores dos solares para piscinas, o sistema opera através do

bombeamento da água da piscina, geralmente utilizando o sistema de bombas existente para

tratamento de água da piscina, provocando sua circulação força e através dos coletores solares,

onde sua temperatura é elevada e retorna à piscina, elevando assim sua temperatura. O sistema

solar pode ser instalado em série com sistemas convencionais que seriam utilizados em ausência

de sol.

Figura 2.1. Configuração básica de um aquecedor solar para piscinas.

Temos alguns tipos característicos pelos quais podemos categorizar os sistemas de

aquecimento de água para piscinas, o foco da análise será o componente principal do sistema que

é o absorvedor de calor ou coletor, pois os demais componentes são de alguma forma similares

em todos os sistemas, como: bombas (normalmente utilizado o mesmo sistema de bombeamento

do tratamento da piscina), tubulações de elevação e retorno, controladores de vazão (automáticos

ou manuais), isolamento de tubulações, mantas isolantes de lâmina d´água para retenção de calor.

Tipo 1 – Coletores planos infláveis.

Tipo 2 – Coletores tubulares de piso.

Tipo 3 – Coletores espirais em tubos flexíveis.

Tipo 4 - Coletores de placas rígidas.

Tipo 5 - Coletores com tubos à vácuo do tipo heat-pipe.

Tipo 6 - Coletor de tubos de PVC conectados em série.

Tipo 7 - Coletor de tubos PVC em labirinto.

25


Tanto os coletores planos infláveis como os espirais de tubos flexíveis,, encontrados

comercialmente, não possuem estrutura rígida, são instalados diretamente sobre as telhados, com

mesmo nível de inclinação e direcionamento do telhado, não possuem isolação térmica na parte

inferior, sendo portanto, de baixo rendimento

Coletores Planos infláveis.

Este tipo de coletor é construído com materiais leves e flexíveis, como o polipropileno

que possuem boa performance na absorção da radiação solar, mas são de são de baixa

concentração por trabalharem com temperaturas baixas em relação a outros coletores, em níveis

máximos de 50ºC, apresentam baixo custo de manutenção e suportam pressão de trabalho de até

40 MCA.

Figura 2.2. Coletores Planos infláveis.

Coletores Tubulares de Piso – São coletores montados com uma malha de tubos tipo

PVC rígidos, instalados no em torno das piscinas, áreas posteriormente revestidas com piso,

sendo esta a superfície absorvedora de calor, e este transferido ao fluido (água) através dos tubos

incrustados no piso, a circulação é forçada como nos demais sistemas considerados.

26


Figura 2.3 Coletores Tubulares de Piso.

Coletores Espirais em tubos Flexíveis.

São coletores montados com tubos flexíveis (mangueiras em PVC), na forma de uma

espiral concêntrica. Apresentam basicamente as mesmas técnicas características dos coletores

infláveis, porém com menor custo

Figura 2.4. Coletores Espirais em tubos Flexíveis.

Coletores de placas rígidas.

São fabricados em placas de polietileno de alta densidade, sem emendas ou soldas,

aditivadas contra a ação de raios UV, resistentes ao choque, às intempéries( geadas, granizo e

congelamento). Apresentam facilidades de instalação e manutenção . Devido à facilidade de

montagem, permitem expansão do sistema de aquecimento, pela simples adição de novas placas..

27


As placas são interligadas através de mangotes de borracha especiais e abraçadeiras de inox

(produto vendido separadamente). Na figura baixo observa-se uma placa e uma instalação que

utiliza tais placas para o aquecimento de piscinas.

Figura 2.5. Coletores solares de placas rígidas. Placa e sistema composto.

Coletores com tubos a vácuo do tipo heat-pipe.

Estes sistemas operam diferentemente dos demais disponíveis no mercado. Trata-se de

uma tecnologia mais avançada, porém de maior custo. Consiste de um heat- pipe dentro de um

tubo evacuado. A radiação solar é concentrada no final de cada tubo e é conduzida a um

reservatório por um conjunto de conexões. A figura mostra esse tipo de sistema de aquecimento.

Figura 2.6. Coletor solar de tubos a vácuo do tipo heat-pipe.

http://thermomax.com/Downloads/Mazdon Slope Roof V6.p

28


Coletor de tubos de PVC conectados em série.

Esses coletores são formados por vários tubos de PVC, posicionados em paralelo utilizando

conexões tipo T de PVC, com inserção de esbarros confeccionados com tampas plásticas de

refrigerantes (fechamento de uma de suas linhas de fluxo), permitindo a ligação em série dos

tubos, e estruturando a malha..

Figura 2.7 - Coletor de tubos de PVC conectados em série.

Coletor de tubos PVC em labirinto.

Tipo de coletor confeccionado com tubos de PVC em formato de labirinto, propiciando a

obtenção de uma superfície absorvedora com um comprimento maior de tubos, em conseqüência

uma maior área de troca térmica entre fluido e tubos. Apresenta fáceis processos de construção e

montagem e tem como principal característica seu baixo custo.

Figura 2.8. Coletor de tubos PVC em labirinto.

29


O estudo de sistemas de aquecimento solar de piscinas não é tão corriqueiro em trabalhos

científicos em revistas e congressos científicos. Alguns trabalhos que conseguiu-se ter acesso

estão relacionados a seguir. Souza em 2007, apresentou um sistemas de aquecimento solar para

piscinas utilizando coletores em labirinto e aletado, e demonstrou ser possível o aquecimento da

água para níveis confortáveis de uso de piscinas, em torno de 32°C.

2.7. Polietileno, análise e quantificação da degradação.

Reinaldo Strapasson, em 2004, ao estudar os polietilenos, afirma que são os mais simples

produtos plásticos existentes, que pertencem à classe dos plásticos vinílicos. A massa molar (peso

molecular) do plástico obtido pode variar consideravelmente, entre 4.000 e 20.000 em média,

existindo polietilenos com massa molar superior a 100.000. A reação básica da polimerização do

etileno para polietileno está representada na figura a seguir.

Figura 2.9. Reação básica de polimerização para formação do polietileno

O polietileno possui diferentes denominações de acordo com sua massa molar e forma,

que estão em detalhes na tabela 3.1, a saber:

• HDPE (PEAD), polietileno linear, polietileno de alta densidade, polietileno de baixa pressão;

• LDPE (PEBD), polietileno ramificado, polietileno de baixa densidade, polietileno alta pressão,

• UHMWPE (PEUAPM), polietileno de ultra-alta massa molar, polietileno de altíssima massa

molar.

30


Tabela 2.1. Propriedades químicas típicas de diferentes polietilenos.

As propriedades marcantes no PE são a alta resistência química, menor custo e ainda no

UHMWPE (PE de ultra alta massa molar), alta resistência ao desgaste, baixo coeficiente de

fricção, e inércia química. Algumas aplicações típicas destes materiais incluem:

• PEAD – Contentores, bombonas, fitas para lacre de embalagens, material hospitalar.

• PEBD – Recipientes para embalagens de produtos alimentícios, farmacêuticos e

químicos; filmes para embalagem em geral; utensílios domésticos, brinquedos, lençóis

para usos agrícolas.

• UHMWPE – Placas de revestimento de máquinas para a indústria de alimentos e de

mineração; componentes de bombas para líquidos corrosivos; engrenagens; revestimento de

pistas e pisos para esporte e linhas de montagem de automóveis; em medicina, como

implantes, ossos artificiais; cepos para cortes de carne. (STRAPASSON, 2004)

O PEBD Se funde a uma temperatura entre 104º e 120ºC, e se queima a 300ºC

(www.plasticoscarone.com.br). Na tabela 2.2 (http://www.mspc.eng.br), a seguir encontram-

se as principais características físicas dos polímeros, para efeitos de comparação entre os mais

comuns.

http://www.plasticoscarone.com.br/

http://www.mspc.eng.br/

31


Tabela 2.2 – Propriedades típicas de diferentes polietilenos.

Como as reações que geram reticulações no PEBD não levam à formação de grupos

carbonila, os resultados de índice de carbonila do PEBD apresentados na mostram valores

numéricos bem inferiores aos do PP.( FECHINE, 2006).

Figura 2.10. Gráfico Índices de carbonila em amostras PEBD expostas a UV.

Na aplicação do PEBD (Polietileno de Baixa Densidade) exposto ao sol e calor ocorre

degradação, produzida pela perda de massa ou quebra de ligações, com surgimento de duplas

ligações na cadeia principal, quando do processo de perda (separação) do HCl da mesma. Essas

degradações fragilizam o material e também podem ser críticas para a processabilidade do PVC,

quando dos processos de fabricação empregados para a obtenção de cada tipo (MANO, 2000).

32


No caso do tubo de polietileno, essa degradação é mais crítica para níveis de temperatura

acima de 250ºC, embora a degradação térmica se inicie para temperaturas acima de 60ºC,

alcançando limite crítico para temperaturas acima de 75ºC, onde começa o seu processo de

deflexão (YAO, 2001).

Como observamos a determinação da temperatura de inicio de degradação do PEBD, é

assunto de diversos estudos e envolve uma multiplicidade de variáveis que torrnam

extremamente complexa sua determinação. Neste estudo, por não se dispor com precisão dos

aditivos do PEBD utilizado (PEBD - comercial), considerou-se a temperatura de 60ºC, a menor

observada nos estudos analisados.

Os resultados térmicos, obtidos com coletores que utilizam o plástico como elemento

absorvedor de radiação solar, demonstram a viabilidade desses coletores. Porém para que este

tipo de coletor possa ser competitivo em termos de mercado, é necessário um estudo acerca das

degradações relativas ao tempo de vida útil deste referido protótipo.

Como já foi ressaltado o combate às degradações pode ser feito através da adição de

estabilizadores e outros aditivos durante o processo de manufatura dos tubos. Entretanto o

presente estudo optou pela utilização de tubos disponíveis comercialmente, com o percentual de

cloro convencional, cerca de 57%, criando condições para torná-lo bom absorvedor térmico, sem

conduzi-lo ao nível de degradação térmico e podendo também reduzir significativamente a

degradação por UV através da utilização de uma grade absorvedora protegida da radiação.

33


CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Processo construtivo dos equipamentos coletores solares.

Com o objetivo de comparar a eficiência dos equipamentos fez se necessária a construção

de dois equipamentos, sendo um similar aos equipamentos comerciais encontrados, sem efeito

estufa, e o segundo aplicando uma cobertura de vidro transparente e fechamento lateral, para a

obtenção do efeito estufa.

Para o projeto dos equipamentos foi adquirida no mercado, amostra de tubo em

polietileno flexível. Foram medidos diâmetros interno e externo no tubo, e calculado o diâmetro

de cada espira, tomando como referencia a primeira espira com raio de 232 mm, obtendo assim o

diâmetro externo de 375 mm, ver anexo II. O diâmetro da primeira espira foi determinado

moldando a mesma de forma não se visualizar deformações na parede do tubo flexível.

Foram também observados os equipamentos comerciais cujos folders encontram-se na

internet, e ainda o "COLETOR ABERTO DE ENERGIA SOLAR ESPIRALADO PARA

AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA PISCINA", patenteado sob numero MU8500181-3, e

algumas fotos de coletores comerciais encontrados em folders de fabricantes, disponíveis em seus

sites na internet (Aquasol, Astrosol, Heliotek e Soletrol,).

Figura 3.1. Equipamento comercial e desenho constante da patente MU8500181-3

3.1.1. Definição do tubo e diâmetro do equipamento.

De forma otimizar os materiais encontrados disponíveis no comercio, utilizou–se uma

peça (rolo) com 100 metros de tubo de polietileno flexível na cor preta, com diâmetro de 20 mm,

34


comumente aplicado em sistemas de irrigação tipo micro-aspersão, o que produziu uma espiral

plana concêntrica com 31,5 voltas, sendo o diâmetro da primeira espira 220 mm e o raio da

última espira 760 mm.

R76

R22

54

Nro Espiras: 31,5Mangueira Tipo Irrigação 1/2"

Material: Polietileno flexível

Término Inicio

Figura 3.2. Desenho referencial dos diâmetros externo e interno.

3.1.2. Construção do primeiro modelo.

A dificuldade inicial que se encontrou, foi distribuir as primeiras espirais concêntricas

mantendo-as fixas e movimentando o restante do tubo flexível. A solução proposta foi criar uma

estrutura, com perfilados L de forma promover a sustentação do conjunto, como nas fotos da

figura a seguir.

3.1.2

Figura 3.3. Estrutura metálica para montagem das espirais

35


3.1.3. Distribuição do tubo de polietileno flexível.

A distribuição do tubo de polietileno flexível, foi executada sobre a estrutura previamente

construída, e que as espiras foram sendo fixados provisoriamente com barbante, a longo do

processo de montagem das espirais. O tubo flexível é encontrado em peças de 100 metros de

comprimento, e esta se adaptou à espiral projetada com pequena redução do diâmetro externo,

sem causar danos aparentes ao tubo, foi antão adotado este comprimento como padrão e o

diâmetro externo com 1,5 metros.

Figura 3.4. Espiral montada com fixação provisória das espiras.

3.1.4. Instalação de isolação térmica inferior e sustentação.

Como a estrutura ficou bastante flexível, e sem isolação térmica na parte inferior, fez se

necessária a instalação de uma estrutura de sustentação, de forma simplificar o manuseio do

equipamento, mas que também promovesse a isolação térmica do conjunto na parte inferior.

Um disco de madeira (madeirite) foi adotado como solução de ambos os problemas. Este

disco suporte assume também a função de manter os dois equipamentos em condições similares,

para comparação de eficiência. A espessura de parede do disco de madeira utilizado foi de 10

milímetros, medida comercial, que produziu uma peça de fácil manuseio, sem gerar dificuldades

de movimentação, ajustes e transporte para a estrutura devido a baixo peso.

Os discos de madeira foram recobertos com tinta esmalte sintético preto fosco, de forma

protegê-los das intempéries aumentando sua vida útil e propiciando melhores condições para

surgimento do efeito estufa. Foi ainda necessário instalar anteparos ao longo da espiral externa

para contenção do tubo flexível.

36


Figura 3.5. Disco de sustentação e isolação em madeira.

3.1.5. Instalação da cobertura de vidro (Efeito Estufa).

As estruturas dos dois equipamentos foram construídas de forma similar até o passo

anterior. O equipamento que deverá operar com efeito estufa necessita da cobertura superior em

material transparente à radiação incidente, e opaca a radiação refletida pelos tubos negros e a

superfície negra da base. O material escolhido foi o vidro comercial transparente sem cor com

espessura de 3 mm.

Para fixação do vidro, foi feita a instalação de um suporte ao longo da espiral externa. O

suporte foi construído com recortes de um perfilado de alumínio, comercialmente utilizado em

estruturas de box de banheiro, observa-se na figura a seguir um corte perfilado utilizado, no qual

foi removida uma pequena parte, como indicado e mantida a borda superior para fixação do disco

de vidro. Ao longo da espira interior, o suporte foi utilizado apenas como apoio.

Figura 3.6. Suportes para fixação e apoio do disco de vidro à base de madeira.

37


3.2. Montagem e teste preliminar dos equipamentos.

Os dois equipamentos foram instalados inicialmente na borda da piscina, para os testes

preliminares de alimentação com o fluído de trabalho (água) e controle de vazão através de

válvulas controladoras de fluxo com acionamento manual.

Figura 3.7. Montagem inicial à borda da piscina com detalhe dos registros

3.2.1. Aferição dos sensores de temperatura.

Utilizando-se um termômetro de referência, foi feita a aferição de temperatura dos

termopares. O procedimento utilizado foi o convencional, ou seja, utilizando a água, que em um

primeiro passo teve sua temperatura elevada para o ponto de ebulição e resfriado naturalmente

(buscando o equilíbrio térmico com o meio) até a temperatura ambiente, posteriormente resfriado

até o ponto de solidificação e logo aquecido naturalmente até a temperatura ambiente.

3.2.2. Instalação de sensores de temperatura e vedação lateral.

Utilizando-se emendas pré-fabricadas para os tubos flexíveis de polietileno, foi feita

inserção dos sensores de temperatura (termopares) em furo posteriormente vedado com adesivo

bi-componente a base de epóxi, para monitoramento das temperaturas do fluido de trabalho e

efetiva avaliação comparativa dos equipamentos. Os termopares foram instalados

respectivamente na entrada e saída de cada coletor para comparação de eficiência dos

equipamentos. A vedação lateral, entre os discos de madeira e de vidro, foi feita com fita adesiva

de alta resistência, capaz de suportar altas temperaturas e umidade.

38


Figura 3.8. Montagem dos Termopares e vedação lateral.

3.2.3. Instalação dos coletores em local definitivo.

Os coletores foram instalados em seu local definitivo, sobre uma laje, inicialmente na

posição horizontal a circulação do fluido de trabalho é forçada, não necessitando assim de

inclinação e correntes de convecção. Ressalta-se que não será utilizado o sistema de

bombeamento do tratamento da piscina, pois sua vazão e pressão seriam muito superiores ao

necessário para os testes com apenas dois módulos.

O sistema utilizado para forçar a circulação foi uma coluna de água de 7,15 metros,

existente no local da instalação dos equipamentos. O bombeamento da piscina será necessário

quando se instalar equipamentos suficientes para o efetivo aquecimento da piscina, em torno de 8

módulos espirais, este número será definido após análise da eficiência dos mesmos.

Figura 3.9. Instalação dos equipamentos em local definitivo.

39


3.3. Sistema de aquisição de dados.

3.3.1. Aquisição de dados do fluido de trabalho (água).

A aquisição dos dados de temperatura do líquido de trabalho foi através de um

termômetro digital modelo TM-744R fabricado pela TENMARS, com 4 canais de aquisição de

dados através de termopares, no caso tipo K. Este termômetro possui placa de interface com um

microcomputador, onde instalado e o programa fornecido pelo fabricante, os dados são

armazenados em arquivos tipo *,xls, operados automaticamente através software MS-Office

Excel da Microsoft.

O microcomputador foi instalado próximo aos coletores, devido a extensão dos cabos dos

termopares (1 metro) e do cabo de conexão do termômetro ao microcomputador. Deve-se

registrar um problema ocorrido durante a aquisição dos primeiros dados, quando o termômetro

apresentava os dados com excessivas oscilações, impossibilitando a análise dos mesmos.

O termômetro foi testado em diversos locais não apresentando o mesmo problema,

identificou-se então que a oscilação ocorria apenas quando o termômetro estava conectado ao

microcomputador. Devido à de falta de aterramento, foi instalada uma malha de terra no local, e

conectada ao terceiro pino da tomada do microcomputador, o defeito foi eliminado. O registro

das temperaturas da água, por serem automatizados, e com objetivo de se obter maior precisão,

serão a cada 60 segundos

Figura 3.10. Termômetro TM-744R e sistema de aquisição de dados automático.

40


3.3.2. Aquisição de dados das superfícies externas.

As medidas de temperaturas de parede externa dos tubos, superfícies externa e interna do

vidro e do meio entre parede do tudo e vidro, serão feitas através de termopar conectado a um

termômetro digital, e os registros serão manuais em tabelas

3.3.3. Temperatura do fluido nas configurações I e II – Entrada e Saída

O sistema de aquecimento de piscina estudado é composto por dois coletores em paralelo,

funcionando em regime de fluxo contínuo, com vazão constante correspondente a 60 litros por

hora, onde apenas um coletor apresenta cobertura transparente de vidro plano de 3 milímetros. A

inclinação em relação à horizontal dos coletores foi de 16º Sul, isso em função da latitude do

local, no caso de Porto Seguro.

Foram medidas as temperaturas da água na entrada e saída da água nos dois coletores, e a

temperatura ambiente à sombra, próximo aos equipamentos. Conforme indicado na figura a

seguir.

Ponto 01 – Entrada de água dos coletores

Ponto 02 – Saída de água do coletor SEM cobertura – Configuração I

Ponto 03 - Saída de água do coletor COM cobertura – Configuração II

Figura 3.11. Pontos de medição temperaturas fluido entrada e saída config. I e II.

1

2

3

41


Todas estas medidas foram realizadas em intervalos de um minuto, com os valores

registrados por um sistema de aquisição de dados, composto por sensores termopares tipo k

conectados a um termômetro digital e este acoplado a um microcomputador através de porta

serial, sendo o sistema operado pelo software do termômetro.

3.3.4. Evolução da temperatura do fluido ao longo da espiral

Para registro da evolução da temperatura do fluido em seu percurso no coletor, foram

medidas suas temperaturas em quatro pontos ao longo da espiral para o coletor sem cobertura,

que secciona a extensão de 100 metros de tubo em três partes com 33,3 metros cada,

possibilitando assim acompanhamento da evolução da temperatura a cada extensão de 33,3

metros. Os sensores foram instalados nas posições e indicadas na figura 3.11. O intervalo de

registro foi a cada minuto, e realizados com o mesmo sistema automatizado descrito acima.

Para o coletor com cobertura transparente (configuração II) o mesmo processo foi

executado com os sensores em posições similares aos indicados para a configuração I, também

com registro automático a cada minuto.

Ponto 01 – Entrada de água do coletor

Ponto 02 – Após 33 metros de tubo(1/3)

Ponto 03 - Após 66 metros de tubo(2/3)

Ponto 04 – Saída de água do coletor.

42


Figura 3.12. Pontos de medição de temperaturas do fluido ao longo da espiral.

A radiação solar foi medida a cada um minuto, por um radiômetro (NAZIAZENO, 2009),

acoplado a um sistema de aquisição de dados composto pelo termômetro digital TM-744R, que

detecta a diferença de potencial às células branca e negra do radiômetro convertendo esta

diferença de potencial para a temperatura equivalente, e registra automaticamente os dados em

planilha do Excel. Posteriormente os dados são corrigidos para radiação solar equivalente, com os

coeficientes pertinentes.

Os ensaios foram realizados em dias de boas condições solarimétricas, altos índices de

radiação solar global e baixa nebulosidade para permitir uma análise comparativa mais real entre

os vários dias de ensaio.

Foi feita uma análise comparativa entre os resultados dos coletores para as duas

configurações, coletor com cobertura e coletor sem cobertura, para a determinação da

configuração mais eficiente.

A susceptibilidade ao início do processo de degradação térmica pode ser diagnosticada

através dos níveis de temperatura alcançados pela superfície externa dos tubos absorvedores, que

não devem alcançar 60°C (SOUZA 2002).

1

3 2

4

43


O sistema de aquecimento de piscina proposto, nas suas duas configurações, com e sem

cobertura transparente, encontra-se mostrado na Figura a seguir

Figura 3.13. Detalhe dos equipamentos instalados com e sem efeito estufa

3.3.5. Medição de Vazão

Foi utilizado um sistema simples e eficiente de medição de vazão, constituído de dois

recipientes plásticos de volume igual a 2 litros apoiados em material flutuante, posicionados na

piscina abaixo dos dutos de saída dos coletores. Os recipientes de 2 litros foram aferidos em

laboratório de química com recipiente tipo Becker graduados de 1 litro.

A medição foi feita simultaneamente para os dois coletores, com cronometro, marcando 2

minutos para os dois litros, ou 1 litro por minuto de vazão. O ajuste de vazão foi realizado através

válvulas controladoras de fluxo com acionamento manual, conforme indicado na figura 3.14. Este

procedimento foi realizado a cada inicialização do sistema e posteriormente de hora em hora.

44


Figura 3.14. Sistema de medição e controle de vazão

3.4. Desenvolvimento teórico

3.4.1. Determinação dos parâmetros térmicos

Os parâmetros que melhor caracterizam a eficiência térmica de um coletor solar são o

rendimento térmico, a potência perdida e o coeficiente global de perdas.

3.4.2. Coeficiente global de perdas

A placa coletora após receber radiação se aquece, surgindo, em conseqüência, um gradiente

de temperatura entre a mesma e o ar ambiente, fazendo com que parte da energia captada flua do

coletor para a atmosfera, que se constitui nas perdas térmicas do coletor.

O parâmetro que engloba todas essas perdas é o Coeficiente Global de Perdas (Uloss), que

pode ser determinado por três métodos distintos, quais sejam: Método da Perda Térmica, Método

das Trocas Térmicas e Método da Inversão de Fluxo (DUFFIE&BECKMAN, 1991,

INCROPERA, 2003). Nesse trabalho será usado o método da perda térmica para a determinação

do Uloss.

Este método consiste na determinação do Coeficiente Global de Perda Térmica (Uloss)

através do conhecimento dos parâmetros potência absorvida pelo coletor (Pabs.), potência

transferida ao fluido de trabalho (Pu), transmissividade do vidro (τv); absortividade da placa

45


p( ) ; radiação solar global (I); temperatura média de placa (Tmp) e temperatura ambiente (Ta),

da área do coletor (A), da vazão mássica ( m ), do calor específico do fluido (cp) e da diferença de

temperatura do fluido obtida no sistema (∆T), conforme as equações (3.1) a (3.5). Para o coletor

sem cobertura não existe o parâmetro transmissividade do vidro e a equação (3.1) transforma-se

na equação (3.2).

abs v pP . . . 0,85.0,9.700.1,3 696,1Watts (3.1)

abs pP . .

(3.2)

•

u pP =m.c .ΔΤ (3.3)

p abs uP =P -P (3.4)

p

mp a

P

loss A.(T -T )U =

(3.5)

3.4.3. Determinação do rendimento térmico

O rendimento térmico do coletor do sistema de aquecimento proposto pode ser calculado

pela equação (3.6).

uP

t Α.Ι=

(3.6)

Substituindo 3.3 em 3.6, temos :

0,07. Tt 1,6.Ι=

Tt Ι=0,4375

(3.7)

46


CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES.

Serão apresentados e avaliados os resultados dos ensaios realizados para duas

configurações com o objetivo de comparar o desempenho dos coletores como proposto. Serão

analisadas também as perdas térmicas dos coletores e a evolução da temperatura ao longo de

cada espiral A seguir os resultados gerais médios horários de cada dia, bem como os dados

médios diários dos ensaios feitos para cada tipo de configuração.

4.1. Eficiência térmica dos coletores estudados.

Os parâmetros térmicos obtidos para determinação da eficiência dos coletores estudados

foram aplicados na equação 3.7, e determinado o rendimento térmico dos coletores nas duas

configurações ensaiadas.

4.1.1. Resultados para a Configuração I - Coletor SEM cobertura

Os resultados a seguir foram obtidos com os sensores de temperatura instalados nas

posições indicadas na figura 3.11, correspondentes â entrada de fluido para ambas as

configurações , e saída de fluido também para ambas as configurações.

Nas Tabelas de 4.1 a 4.5 estão registrados os valores médios dos parâmetros medidos

nos testes realizados com o sistema de aquecimento para a Configuração I., bem como o

rendimento calculado.

Tabela 4.1 Dados do PRIMEIRO dia de ensaio – Configuração I.

TEMPO (Hora) Tentrada

(°C)

Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 24,7 29 4,3 0,48 39,2

9:00 -10:00 25,7 30,9 5,2 0,52 43,8

10:00 -11:00 26 32,5 6,5 0,54 52,7

11:00 -12:00 27,1 34,1 7 0,56 54,7

12:00 -13:00 27,7 35 7,3 0,56 57,0

13:00 -14:00 27,9 35,2 7,3 0,52 61,4

14:00 -15:00 27,8 34,9 7,1 0,48 64,7

15:00 – 16:00 26,7 32,1 5,4 0,42 56,3

Média 26,7 33,0 6,26 0,51 53,7

47


Tabela 4.2. Dados do SEGUNDO dia de ensaio – Configuração I.


(°C)

Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 25,1 29 3,9 0,48 35,5

9:00 -10:00 26,2 30,6 4,4 0,52 37,0

10:00 -11:00 26,7 33,8 7,1 0,54 57,5

11:00 -12:00 26,8 34,2 7,4 0,56 57,8

12:00 -13:00 26,8 34,3 7,5 0,56 58,6

13:00 -14:00 26,6 34,5 7,9 0,52 66,5

14:00 -15:00 26,8 33,1 6,3 0,48 57,4

15:00 – 16:00 26,5 31,7 5,2 0,42 54,2

Média 26,4 32,7 6,21 0,51 53,3

Tabela 4.3. Dados do TERCEIRO dia de ensaio – Configuração I.


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 25,3 29,8 4,5 0,5 39,4

9:00 -10:00 26,3 31,3 5 0,54 40,5

10:00 -11:00 26,7 34,1 7,4 0,56 57,8

11:00 -12:00 26,9 34,3 7,4 0,58 55,8

12:00 -13:00 26,8 34,5 7,7 0,58 58,1

13:00 -14:00 26,5 34,5 8 0,56 62,5

14:00 -15:00 26,7 33,1 6,4 0,5 56,0

15:00 – 16:00 26,5 31,7 5,2 0,42 54,2

Média 26,5 32,9 6,45 0,53 52,9

48


Tabela 4.4. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração I.

Tabela 4.5. Dados do QUINTO dia de ensaio – Configuração I.

O valores médios gerais obtidos com base nos dados das tabelas 4.1 a 4.5, refletem o

comportamento para os cinco dias de ensaios realizados com a configuração I.


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 25 29 4 0,47 37,2

9:00 -10:00 25,5 30,7 5,2 0,51 44,6

10:00 -11:00 26 32 6 0,53 49,5

11:00 -12:00 27 33,8 6,8 0,56 53,1

12:00 -13:00 27,5 34,5 7 0,56 54,7

13:00 -14:00 27,8 35 7,2 0,52 60,6

14:00 -15:00 27,5 34,3 6,8 0,48 62,0

15:00 – 16:00 26,9 33,1 6,2 0,42 64,6

Média 26,65 32,8 6,15 0,51 52,8


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 25,5 29,7 4,2 0,48 38,3

9:00 -10:00 26 31 5 0,52 42,1

10:00 -11:00 26,8 33,5 6,7 0,53 55,3

11:00 -12:00 26,9 34,5 7,6 0,58 57,3

12:00 -13:00 27 35 8 0,58 60,3

13:00 -14:00 27,2 35 7,8 0,56 60,9

14:00 -15:00 26,7 33,5 6,8 0,5 59,5

15:00 – 16:00 26,5 31,7 5,2 0,42 54,2

Média 26,6 33,0 6,4 0,52 53,8

49


Tabela 4.6. Resultados médios gerais – Configuração I (sem cobertura)

DIAS

DE

ENSAIO

∆T (ºC)

I (KW/m

2)

t (%)

DIA 1 6,26 0,51 53,70

DIA 2 6,21 0,51 53,27

DIA 3 6,45 0,53 53,24

DIA 4 6,15 0,51 52,76

DIA 5 6,4 0,52 53,8

MÉDIA 6,29 0,52 52,92

Os dados das tabelas mostram que o gradiente médio de temperatura obtido no coletor

sem cobertura é de 6,29°C, para a vazão experimentada, demonstrando a viabilidade de

utilização do modelo de coletor proposto para o aquecimento de piscina.

O rendimento térmico médio para os dias ensaiados com essa configuração ficou em

torno de 53%, o que representa um elevado nível de eficiência do coletor para o fim proposto,

com baixo índice de perda térmica.

A média da radiação solar global para todos os dias ensaiados esteve em torno de 520

W/m², demonstrando-se a escolha correta para o ensaio comparativo entre as configurações.

Foram escolhidos dias de baixa ou ausência de nebulosidade para a caracterização de

condições solarimétricas próximas para todos os dias de ensaio.

O gráfico a seguir representa os gradientes de temperatura para os cinco dias de ensaio.

Considerando que a radiação incidente e as condições solarímetricas são similares para estes

dias, e ainda a curva apresenta características de uma curva padrão para gradiente de

temperatura em aquecedores solares, a visível proximidade entre os resultados de cada dia,

mostra a constância do equipamento e confirma os resultados esperados.

50


Figura 4.1. Gráfico gradiente de temperatura – Configuração I SEM cobertura

4.1.2. Configuração II - coletor com cobertura

Nas tabelas a seguir estão registrados os valores médios dos parâmetros medidos nos

testes realizados com o sistema de aquecimento para a Configuração II. Os sensores foram

instalados em posições similares aos da configuração I.

Tabela 4.7. Dados do PRIMEIRO dia de ensaio - Configuração II.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

8:00 -9:00

9:00 -10:00

10:00 -11:00

11:00 -12:00

12:00 -13:00

13:00 -14:00

14:00 -15:00

15:00 –16:00

Tem

pe

ratu

ra °

C

Gradiente de Temperatura

SEM Cobertura

Dia 1

Dia 2

Dia 3

Dia 4

Dia 5


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 24,7 30,2 5,5 0,48 50,1

9:00 -10:00 25,7 33,1 7,4 0,52 62,3

10:00 -11:00 26 34,3 8,3 0,54 67,2

11:00 -12:00 27,1 35,5 8,4 0,56 65,6

12:00 -13:00 27,7 36,2 8,5 0,56 66,4

13:00 -14:00 27,9 36 8,1 0,52 68,1

14:00 -15:00 27,8 34,9 7,1 0,48 64,7

15:00 – 16:00 26,7 32,1 5,4 0,42 56,3

Média 26,7 34,0 7,34 0,51 63,0

51


Tabela 4.8. Dados do SEGUNDO dia de ensaio - Configuração II.


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()8:00 -9:00 25,1 29,7 4,6 0,48 41,9

9:00 -10:00 26,2 32,7 6,5 0,52 54,7

10:00 -11:00 26,7 35,4 8,7 0,54 70,5

11:00 -12:00 26,8 35,5 8,7 0,56 68,0

12:00 -13:00 26,8 35,5 8,7 0,56 68,0

13:00 -14:00 26,6 35,5 8,9 0,52 74,9

14:00 -15:00 26,8 34,5 7,7 0,48 70,2

15:00 – 16:00 26,5 32,5 6 0,42 62,5

Média 26,4 33,9 7,48 0,51 64,2

Tabela 4.9. Dados do TERCEIRO dia de ensaio – Configuração II.


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 25,3 30,5 5,2 0,5 45,5

9:00 -10:00 26,3 32,7 6,4 0,54 51,9

10:00 -11:00 26,7 34,8 8,1 0,56 63,3

11:00 -12:00 26,9 35,5 8,6 0,58 64,9

12:00 -13:00 26,8 35,8 9,0 0,58 67,9

13:00 -14:00 26,5 36,1 9,6 0,58 72,4

14:00 -15:00 26,7 34,5 7,8 0,5 68,3

15:00 – 16:00 26,5 32,5 6 0,42 62,5

Média 26,5 34,1 7,51 0,53 62,0

52


Tabela 4.10. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração II.

Tabela 4.11. Dados do QUINTO dia de ensaio - Configuração II.

TEMPO

(Hora) Tentrada

(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

()

8:00 -9:00 25 30,2 5,2 0,5 45,5

9:00 -10:00 25,7 33,1 7,4 0,52 62,3

10:00 -11:00 26,5 34,7 8,2 0,54 66,4

11:00 -12:00 27,1 35,5 8,4 0,56 65,6

12:00 -13:00 27,3 36 8,7 0,56 68,0

13:00 -14:00 27,9 36,3 8,4 0,56 65,6

14:00 -15:00 27,8 34,9 7,1 0,5 62,1

15:00 – 16:00 26,7 33,1 6,4 0,42 66,7

Média 26,7 34,2 7,5 0,52 63,1


(°C) Tsaida (°C)

∆T (°C)

I (KW/m

2)

8:00 -9:00 25,3 30,1 4,8 0,48 43,8

9:00 -10:00 26 32,9 6,9 0,52 58,1

10:00 -11:00 26,7 35,8 9,1 0,54 73,7

11:00 -12:00 27 35,3 8,3 0,56 64,8

12:00 -13:00 27 35,5 8,5 0,56 66,4

13:00 -14:00 27,1 35,7 8,6 0,52 72,4

14:00 -15:00 26,8 35 8,2 0,48 74,7

15:00 – 16:00 26,5 32,5 6 0,42 62,5

Média 26,5 34,1 7,5 0,51 64,3

53


Na tabela 4.12. estão os resultados médios gerais obtidos para os cinco dias de ensaios

para a configuração II.

Tabela 4.12. - Resultados médios gerais – Configuração II (com cobertura)

DIAS

DE

ENSAIO

∆T (ºC)

I (KW/m

2)

t (%)

DIA 1 7,34 0,51 62,97

DIA 2 7,48 0,51 64,17

DIA 3 7,51 0,53 61,99

DIA 4 7,5 0,51 64,34

DIA 5 7,5 0,52 63,10

MÉDIA 7,47 0,52 62,85

O gradiente médio de temperatura obtido no coletor configuração II, com cobertura foi

de 7,47 °C, para a vazão experimentada, o que comprova a viabilidade de utilização do

modelo de coletor estudado para o aquecimento de piscina.

O rendimento térmico médio para os dias ensaiados com essa configuração ficou em

torno de 63,3%, que representa um elevado nível de eficiência do coletor para o fim proposto,

com baixo índice de perda térmica.

Em relação à média da radiação solar global, comentários idênticos aos da configuração

I, pois os dias de ensaio foram os mesmo.

Como no caso da configuração I, observa se a constância do equipamento e confirma os

resultados esperados, como segue no gráfico.

54


Figura 4.2. Gráfico Gradiente de Temperatura – Configuração II COM Cobertura

4.2 Evolução de temperatura do fluido ao longo do coletor -Resultados

Foram instalados os sensores de temperatura ao longo da espiral, como indicado na

figura3.12, o que possibilitou a obtenção dos resultados a seguir. O terceiro dia foi escolhido

como melhor dia, devido a ocorrência do maior gradiente térmico dentre os cinco dias

estudados para as duas configurações.

4.2.1 Configuração I- Coletor SEM cobertura

Tabela 4.13. Evolução do fluxo no melhor dia (Terceiro dia) – Configuração I.

0

2

4

6

8

10

12

8:00 -9:00

9:00 -10:00

10:00 -11:00

11:00 -12:00

12:00 -13:00

13:00 -14:00

14:00 -15:00

15:00 –16:00

Te

mp

era

tura

°C

Gradiente de Temperatura COM Cobertura

Dia 1

Dia 2

Dia 3

Dia 4

Dia 5

Tempo

(Horas)

Entrada

(ºC)

33 m

(ºC)

66 m

(ºC)

Final

(ºC)

DT1

(ºC)

DT2

(ºC)

DT3

(ºC)

DT

Tot

(ºC)

08:00 - 09:00 25,3 27 28,5 29,8 1,70 1,50 1,30 4,5

09:00 - 10:00 26,3 28,3 29,66 31,3 2,00 1,36 1,64 5

10:00 - 11:00 26,7 29,41 32,82 34,1 2,71 3,41 1,28 7,4

11:00 - 12:00 26,9 29,8 32,4 34,3 2,90 2,60 1,90 7,4

12:00 - 13:00 26,8 31,07 33,3 34,5 4,27 2,23 1,20 7,7 13:00 - 14:00 26,5 29,8 31,9 34,5 3,30 2,10 2,60 8

14:00 - 15:00 26,7 29,97 32,53 33,1 3,27 2,56 0,57 6,4

15:00 - 16:00 26,5 27,87 29,14 31,7 1,37 1,27 2,56 5,2

55


Com relação à evolução da temperatura do fluido ao longo da espiral absorvedora do

coletor, percebe-se que não houve saturação, uma vez que houve acréscimo de temperatura do

ponto de medida posterior em relação ao anterior.

Figura 4.3. Gráfico - Temperatura ao longo da espiral – Config. I SEM cobertura

4.2.2 Configuração II- coletor COM cobertura

Tabela 4.14. Evolução do fluxo no melhor dia (Terceiro dia) - Configuração II.

Tempo

(Horas)

Entrada

(ºC)

33 m

(ºC)

66 m

(ºC)

Final

(ºC)

DT1

(ºC)

DT2

(ºC)

DT3

(ºC)

DT

Tot

(ºC)

08:00 - 09:00 25,3 27,3 28,5 30,5 2,00 1,20 2,00 5,2

09:00 - 10:00 26,3 28,06 30,61 32,7 1,76 2,55 2,09 6,4

10:00 - 11:00 26,7 30,14 32,44 34,8 3,44 2,30 2,36 8,1

11:00 - 12:00 26,9 31,64 34,06 35,5 4,74 2,42 1,44 8,6 12:00 - 13:00 26,8 30,77 33,3 35,8 3,97 2,53 2,50 9,0

13:00 - 14:00 26,5 30,05 33,6 36,1 3,55 3,55 2,50 9,6

14:00 - 15:00 26,7 30 32,83 34,5 3,30 2,83 1,67 7,8

15:00 - 16:00 26,5 28,5 31,12 32,5 2,00 2,62 1,38 6

56


Figura 4.4. Gráfico Temperatura ao longo da espiral – Config. II COM cobertura

Com relação às temperaturas de evolução do fluxo ao longo da serpentina absorvedora

do coletor o comportamento foi similar à configuração.

4.3 Resultados dos parâmetros de perda térmica do coletor estudado.

Para avaliar as perdas térmicas do coletor solar alternativo os parâmetros medidos

encontram-se nas figuras 4.1.1., 4.3.2. e 4.3. Através destes valores e de outros parâmetros

encontrados na literatura calculou-se o coeficiente global de perda térmica através de dois

métodos:

1. Método das trocas térmicas que calcula todos os coeficientes convectivos,

radiativos e condutivos inerentes aos processos de troca térmica entre placa e

ambiente;

2. Método do calor perdido que leva em conta a temperatura média da placa

absorvedora do coletor em estudo.

Pelo método do calor perdido utilizou-se o seguinte procedimento: determinou-se a

potência absorvida pelo coletor, a potência transmitida pelo coletor ao fluido de trabalho e

através desses dois parâmetros calculou-se a potência perdida pelo coletor, e em seguida o

57


coeficiente global de perda térmica, Ressalte-se que esse valor representa a perda máxima,

uma vez que foi determinado para parâmetros medidos no período de radiação máxima e

praticamente constante.

4.3.1 Perda térmica – Configuração I

Para avaliar a perda térmica do coletor alternativo do sistema de aquecimento solar de

água foram medidos os níveis de temperatura de parâmetros inerentes a esse processo, que se

encontram mostrados em seus valores médios para a configuração I.

Figura 4.1. Parâmetros de perda térmica – configuração I.

Utilizando os valores contidos na Figura 4.11 calculou-se a perda térmica

correspondente ao coletor, através do procedimento mostrado abaixo, obtendo-se o valor

correspondente a 22,0 W/m².K.

WattsPinc 0,8966,1.560.

.

WattsP pabs 4,8066,1.560.9,0.. 4.1

u pP m.c . 70.8 560 Watts

4.2

p abs uP P P 806,4 560,0 246,4 Watts 4.3

4.4

Esse valor está acima do limite superior de perda térmica para os coletores

convencionais para aquecimento de água destinada ao banho, em torno de 12 W/m².K. Porém

para a aplicação a que destina o coletor, aquecimento de piscina, esse nível de perda térmica é

246,422,0 / ² )

.( ) 1,6.(36 29)loss

Pp

U W m KA T T

mp a

58


superior, uma vez que para essa configuração não há cobertura transparente o que maximiza a

troca térmica com o ar circundante.

No que diz respeito à temperatura da superfície externa dos tubos absorvedores de

PVC seus valores médio 43,0°C e máximo 55,5°C estiveram bem abaixo da temperatura para

início da degradação térmica, em torno de 60 C, o que demonstra que é viável a utilização de

tubos flexíveis de polietileno como elementos absorvedores em coletores solares.

4.3.2 Perda térmica – Configuração II

Para a determinação da perda térmica da configuração II foram utilizados os

parâmetros a medidos

Calculou-se a perda térmica correspondente ao coletor, através do procedimento

mostrado abaixo, obtendo-se o valor correspondente a 7,1 W/m².K.

incP . 560.1,6 896,0 Watts

abs v pP . . . 0,85.0,9.580.1,6 709,9 Watts

u pP m.c . 70.9,0 630,0 Watts

p abs uP P P 709,9 630 79,9 Watts

p

mp a

P

loss A.(T T )

79,9U 7,1 W /m²K)

1,6.(36 29)

O valor encontrado está abaixo do limite superior de perda térmica para os coletores

convencionais, em torno de 12 W/m².K, o que demonstra a boa eficiência do coletor para essa

configuração, o que já era esperado em função do baixo nível de temperatura da superfície

absorvedora, em função da elevada vazão que a atravessa e do princípio de funcionamento em

fluxo contínuo.

No que diz respeito à temperatura da superfície externa dos tubos absorvedores de

PVC, seus valores médio e máximo, 47,5°C e 55,3°C estiveram abaixo da temperatura de

início da degradação térmica, em torno de 60°C, o que demonstra que é viável a utilização de

tubos de Polietileno como elementos absorvedores em coletores solares.

59


4.4. Comparação entre as duas configurações estudadas

As Tabelas 4.14 e 4.15 mostram os resultados médios obtidos para cada configuração

estudada no que diz respeito aos parâmetros medidos e calculados para o diagnóstico

comparativo entre as duas configurações estudadas.

Tabela 4.15. Resultados médios gerais de ensaio de cada configuração estudada.

CONFIGURAÇÃO ∆T (ºC)

I

(KW/m²) t

(%) Uloss

(W/m².K)

I - Coletor SEM

Cobertura 6,29 0,52 52,92 22,0

II - Coletor COM

Cobertura 7,47 0,52 62,85 7,1

DIFERENÇA 18,75% 0% 18,76% 67,7%

A configuração II, coletor com cobertura, foi a que apresentou um melhor

desempenho com relação a esses parâmetros, em função da geração de efeito estufa

proporcionado pela cobertura de vidro o que minimiza a troca térmica com o ar.

No que diz respeito ao gradiente de temperatura no coletor, a configuração II foi

18,75% mais eficiente, para uma mesma radiação média. A eficiência térmica da

configuração II foi cerca de 15,76% mais eficiente e a perda térmica da configuração I foi

muito maior que a da configuração II.

Apesar da melhor eficiência térmica do coletor com cobertura da configuração II, em

função de um menor nível de perda, o gradiente de temperatura, parâmetro principal para o

aquecimento de piscina desejado, foi em torno de apenas 1,18°C em média superior a

configuração I.

4.5. Análise técnico-econômica do sistema de aquecimento estudado

Nos custos apresentados dos equipamentos, destacamos que ambas as configurações

de coletores foram colocados na posição inclinada, em um suporte confeccionado utilizando-

60


se perfilados metálicos obtidos com sucata, sem valor comercial e não foram consideradas nos

custos.

Na Tabela 4.16 estão dispostos os materiais utilizados e seus respectivos preços, para a

determinação do custo do coletor solar alternativo configuração I. O custo de fabricação do

coletor por m² (A=1,6m²) foi em torno de R$ 103,12 ou US$ 59,95. Um dólar de referencia

vale 1,72 reais.

Tabela 4.16. Materiais utilizados e custos - Configuração I

MATERIAL UNID. QUANT. CUSTO

UNIT. (R$)

CUSTO

TOTAL (R$)

CUSTO

TOTAL (US$)

Tubos PVC ½”

Flexível (PC 100m) Pç 1

39,00 39,00 22,67

Base Madeirite Pç 1 110,00 110,00 63,95

Conexões PVC Unid. 04 0,50 4,00 2,33

Braçadeiras Unid. 08 1,50 12,00 6,98

TOTAL 165,00 95,93

A Tabela 4.17 apresenta os materiais e seus custos para a determinação do custo do

coletor solar alternativo configuração II. O custo de fabricação do coletor por m² ficou em

torno de R$ 333,00 ou US$ 193,60.

Tabela 4.17. Materiais utilizados e custos - Configuração II

MATERIAL UNID. QUANT. CUSTO

UNIT. (R$)

CUSTO

TOTAL (R$)

CUSTO

TOTAL (US$)

Tubos PVC ½”

Flexível (PC 100m) Pç 1

39,00 39,00 22,67

Base Madeirite Pç 1 110,00 110,00 63,95

Conexões PVC Unid. 04 0,50 4,00 2,33

Braçadeiras Unid. 08 1,50 12,00 6,98

Vidro plano

transparente m² 1,6 80,00 128,00 74,41

Suportes fixação

vidro Unid. 24 0,50 12,00 6,98

Fita Alta Adesiva

Resistência Pç 01 28,00 28,00 16,28

TOTAL 333,00 193,60

61


Comparando os custos de fabricação entre as configurações I e II, sendo o valor de R$

165,00 para a configuração I e de R$ 333,00 para a configuração II, e avaliando os gradientes

de temperatura para as duas configurações 6,29 ºC para a configuração I e 7,47 ºC para a

configuração II, com uma diferença de apenas 1,18°C. Concluímos em análise técnico-

econômica que a opção pelo equipamento da configuração I é a indicada, apesar de pior

desempenho técnico.

62


CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES

Com base nos objetivos definidos serão apresentadas as conclusões a seguir, bem como

algumas sugestões para possíveis trabalhos futuros, de modo a torná-los mais eficientes e

competitivos com demais tipos de coletores.

5.1. CONCLUSÕES

1. O coletor solar em espiral demonstrou-se viável para o aquecimento solar de piscina,

em ambas as configurações, devendo ter uma área de captação equivalente a 60% da área da

piscina;

2. O sistema mostrou-se de fácil fabricação e montagem, apresentando baixo peso e

facilidade no manuseio do coletor, principalmente para a configuração I SEM cobertura;

3. A configuração mais eficiente termicamente foi a configuração II COM cobertura,

embora seu custo de fabricação seja mais que o dobro da configuração I;

4. A configuração I é a configuração mais viável para o fim proposto, em função de sua

melhor relação custo-benefício;

5. Não houve constatação de saturação do fluido no coletor para o comprimento de

espiral utilizado na superfície absorvedora dos coletores construídos, para as duas

configurações estudadas;

6. Não foi atingida a temperatura crítica para início do processo degradativo térmico que

é 60º, uma vez que os tubos absorvedores de polietileno alcançaram temperaturas médias e

máximas em torno de 47,5°C e 55,3°C;

7. Um sistema de aquecimento de piscina composto por coletores em espiral apresenta

custo de fabricação mais reduzido que os coletores disponíveis comercialmente no mercado,

podendo contribuir para uma massificação de aquecedores solares de piscina.

5.2. SUGESTÕES

1. Poder-se-ia estudar a ligação de dois ou mais coletores em série para o aumento do

gradiente de temperatura gerado, para uma maior eficiência no aquecimento de piscina,

considerando principalmente a saturação da água na espiral do coletor;

2. Através destes resultados apresentados, dimensionar um sistema real de aquecimento

da piscina estudada, demonstrando que tal sistema apresenta real competitividade com outros

sistemas disponíveis no mercado;

63


3. Realizar um período mais longo de testes para verificar a sua durabilidade e

resistência às intempéries e assim confirmar sua competitividade com coletores disponíveis no

mercado;

4. Divulgar o trabalho e estimular a pesquisa na área de aquecimento de água para

piscinas, pois são raros os trabalhos acadêmicos e as publicações neste segmento;

5. Estudar materiais de menor custo e menos frágeis que o vidro para cobertura do

coletor na configuração 2, de forma viabilizar também esta configuração;

7. Estudar os aditivos aplicados no polietileno e seus efeitos na redução da degradação

térmica e por raios UV.

64


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SOUZA, Luiz Guilherme M. Gomes. Coletor Solar Aletado com Tubos de PVC formando um

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http://www.kippzonen.com/?page/88242/Introduction.aspx.http://www.kippzonen.com/?page/50

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dido=679417&PesquisaPorTitulo=&PesquisaPorResumo=&PesquisaPorDepositante=&Pesquisa

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http://www.pensador.info/autor/Albert_Einstein/biografia/

http://pesquisa.inpi.gov.br/MarcaPatente/servlet/PatenteServletController?Action=detail&CodPedido=679417&PesquisaPorTitulo=&PesquisaPorResumo=&PesquisaPorDepositante=&PesquisaPorInventor=&PesquisaPorProcurador



http://www.soletrol.com.br/especiais/aquecimento_de_piscinas/Acessado

69


ANEXO 01 – Patente coletor aberto espiralado

Registro no Instituto Nacional de Propriedade industrial – Ministério do Desenvolvimento

Industria, Comércio Exterior.

(21)Título: COLETOR ABERTO DE ENERGIA SOLAR ESPIRALADO PARA

AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA PISCINA

(51)Número do Pedido: (22)MU8500181-3

(22)Data do Depósito: 21/01/2005

(54)Classificação: F24J2/00, F24J2/04

(57)Termos: água de piscina devido; proporcionando um maior aquecimento; aquecimento de

água; espiralado para aquecimento; água aquecida; água; tubulação.

57)Resumo: "COLETOR ABERTO DE ENERGIA SOLAR ESPIRALADO PARA

AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA PISCINA". O coletor aberto de energia solar espiralado

para aquecimento de água de piscina devido ao seu formato, tem um circuito maior de tubulação

por metro quadrado em exposição ao sol, proporcionando um maior aquecimento da água a um

menor custo final do produto acabado. O dito coletor é constituído de uma estrutura em formato

de estrela de seis pontas sobrepostas (1) e (11), com a tubulação de polietileno e ou polipropileno

(2) montada entre estas estruturas em espiral contínua em torno de um círculo central (3) sobre o

isolamento térmico (4) na face inferior. A tubulação é presa entre a estrutura metálica por

parafusos através dos orifícios (5) e (6). Possui ainda duas válvulas anti-vácuo (9) e (10) na

entrada da tubulação (7) e saída de água aquecida (8).

(71)Nome do Depositante: Osvaldo Elias Miziara (BR/MG).

Figura 1 Anexo I - Coletor Espiralado Patente

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=agua%20de%20piscina%20devido

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=proporcionando%20um%20maior%20aquecimento

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=aquecimento%20de%20agua

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=aquecimento%20de%20agua

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=espiralado%20para%20aquecimento

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=agua%20aquecida

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=agua

http://www.patentesonline.com.br/patente.pesquisar.do?pesquisa=tubulacao

70


Anexo 2 – Dimensões de cada espira do coletor

Cálculo do comprimento do circulo (perímetro da circunferência ou de uma volta)

Raio Externo Re=75cm. Raio Interno Ri=22cm.

Tabela 1.Anexo II. Dimensões das espirais do coletor.

Nro Espira R L=2. .R L( Acumulado)

1 0,75 4,712388981 4,712389

2 0,7334375 4,608323724 9,320713

3 0,716875 4,504258468 13,82497

4 0,7003125 4,400193211 18,22516

5 0,68375 4,296127954 22,52129

6 0,6671875 4,192062698 26,71336

7 0,650625 4,087997441 30,80135

8 0,6340625 3,983932184 34,78528

9 0,6175 3,879866928 38,66515

10 0,6009375 3,775801671 42,44095

11 0,584375 3,671736414 46,11269

12 0,5678125 3,567671158 49,68036

13 0,55125 3,463605901 53,14397

14 0,5346875 3,359540644 56,50351

15 0,518125 3,255475388 59,75898

16 0,5015625 3,151410131 62,91039

17 0,485 3,047344874 65,95774

18 0,4684375 2,943279618 68,90102

19 0,451875 2,839214361 71,74023

20 0,4353125 2,735149104 74,47538

21 0,41875 2,631083848 77,10646

22 0,4021875 2,527018591 79,63348

23 0,385625 2,422953334 82,05644

24 0,3690625 2,318888078 84,37532

25 0,3525 2,214822821 86,59015

26 0,3359375 2,110757564 88,70091

27 0,319375 2,006692308 90,70760

28 0,3028125 1,902627051 92,61022

29 0,28625 1,798561794 94,40879

30 0,2696875 1,694496538 96,10328

31 0,253125 1,590431281 97,69371

32 0,2365625 1,486366024 99,18008

99,18008009

.2. .

circL R

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