Construção de um Aquecedor Solar de Água e Análise de Troca Térmica nas Serpentinas 

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Construção de um Aquecedor Solar de Água e Análise de Troca Térmica nas Serpentinas 
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CORRÊA, Aline [1]

CORRÊA, Aline. Construção de um Aquecedor Solar de Água e Análise de Troca Térmica nas Serpentinas. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Edição 05. Ano 02, Vol. 01. pp 826-866, Julho de 2017. ISSN:2448-0959

RESUMO

Esta monografia trata de um projeto de aquecimento solar da água para uso em indústrias. Consiste em um trabalho que visa o aquecimento da água, a partir de uma serpentina de polietileno, quando a radiação incide sobre a superfície negra do material de polietileno, consequentemente, aquecendo a água a uma temperatura  no decorrer do projeto.

Este equipamento projetado e de alto mecanismo sustentável pode-se ser adaptado em várias empresas nas quais precisa-se ter uma demanda de água quente de menor custo. Visamos, aqui, uma escala reduzida, permitindo seu funcionamento adequado ao ser demonstrado.

A água passa por um processo de radiação, condução e por convecção natural, sendo armazenado  em um reservatório com isolamento térmico, contendo uma resistência blindada de cobre para manter a temperatura desejada, energia essa recebida pelo aquecimento solar térmico,  em placas fotovoltaicas. Convergindo essa energia recebida da radiação solar em energia elétrica, para ligar a resistência contida dentro do reservatório aquecendo a água, e assim, mantendo essa água apropriada para o atendimento necessário de industrias, que necessitam de água quente em seu processo industrial. Este projeto foi pensado e desenvolvido para um aquecimento de água de menor custo e adaptável em empresas que precisam de água em seu processo, projeto este que mantém a água quente, durante os dias de sol e nos dias que não houver sol, pode se adaptar uma ligação elétrica para carregar a bateria, e assim, carregando  a bateria para ligar a resistência no fundo do reservatório. Toda essa água contida no reservatório foi proveniente do aquecimento da água em um serpentina de polietileno, que adaptou-se para que a água antes de entrar no reservatório, seja aquecida pela radiação solar, que incide sobre a superfície da serpentina aquecendo a água, energia essa que a própria natureza nos disponibiliza, e isso vale muito e não pode se desperdiçar o que temos de mais valioso o sol.

Este estudo foi projetado e desenvolvido por alunos do Centro Universitário do Norte Paulista – UNORP.

Palavra-chave: Serpentina de Polietileno, Placa Fotovoltaica, Resistência Blindada,  Reservatório Térmico, Condução, Convecção e Radiação Solar.

1. INTRODUÇÃO

Estudos estão sendo realizados para que o nosso planeta não sofra riscos ambientais nos próximos anos, e que possam reverter os danos causados ao meio ambiente, e assim não prejudicando a nossa vida nas próximas décadas (CHAVES & GOMES, 2014).

De acordo com ANEEL (2002), o Brasil pode ser um país desenvolvido com fácil infraestrutura energética e de transporte, o que facilita à população o acesso para uma vida melhor. O Brasil  é um país com regiões inter tropicais podendo ter um grande potencial de energia solar o ano todo. Dessa forma, as regiões mais distantes podem obter energia a partir da radiação solar e seriam reduzidas as emissões de gases poluentes na atmosfera, conforme estabelecido pelo protocolo de Kyoto (MARTINS; PEREIRA; ECHER, 2004).

De acordo com as condições climáticas do Brasil e as previsões da demanda global do consumo de energia, o consumo terá aumentado em até 50% em 2030. O mundo de hoje estabelece prioridades em relação a energias limpas e renováveis, e vários países em desenvolvimento estão investindo e aprimorando tecnologias energéticas com grande viabilidade econômica em seu setor tanto de produção como de consumo individual. Nota-se que países como: Alemanha, Inglaterra, Estados Unidos, Japão, Espanha  estão adaptando entre formas de energia limpa e renovável  a utilização da  radiação solar como um meio de aquecimento de água (GLOBAL TRENDS IN RENEWABLE ENERGIES, 2014).

Segundo os estudos de Hinrichs et al. (2012), até 2050 haverá uma ampliação do consumo de fontes renováveis permitindo, assim,  o aumento de energia renovável. Hoje a eficiência global está sendo discutida sobre a conversão de energia primária devidamente útil. Atualmente, dois terços dessa energia  primária são consumidos e desperdiçados no processo de conversão de energia em baixas temperaturas em formas de calor (GOLDEMBERG, 2000).

De acordo com RUTHER (2007), a radiação proveniente do sol na superfície terrestre apresenta-se sob três formas: direta  (diretamente radiada do disco solar), difusa (de todo o céu das nuvens e das gotículas de água) e refletida  (do chão por objetos circulares). Há dois tipos de energia solar: passiva (utilização da energia solar para aquecimento, por estratégias construtivas) e ativa (conversão de raios solares em energia elétrica ou térmica).

OMETTO (1968) define que a Terra reflete 30% da energia do Sol, 23% se armazenam em sua atmosfera e os restantes 47% são emitidos na Terra como calor e luz. De acordo com as considerações de Primavesi (2007) é um grande desafio capturar essa radiação, armazená-la e transformá-la, em aquecimento de líquidos. Devido às condições climáticas a nebulosidade,  a umidade relativa do ar, são alguns fatores que atrapalham na radiação solar, que depende também da latitude, do tempo, o dos movimentos de rotação e translação da Terra (MAGAWER & SOUZA, 2004).

Um dos principais fatores para o aquecimento da Terra é a forte  emissão de CO2 na  atmosfera que é variável em relação aos horários do dia. Além disso, a abertura de um buraco na camada de ozônio e permite que os raios ultravioletas atravessem a atmosfera com mais facilidade aumentando o aquecimento do planeta (PACHECO & HELENE, 1990).

De acordo com BRAGA et al. (2001),  já estão sendo feitos estudos de projetos para coletores solares para aquecer a água pela radiação solar economicamente viáveis, sendo implantados para temperaturas inferiores a 100°C em áreas industriais. Hoje estão sendo desenvolvidos trabalhos para dimensionamentos de sistemas fotovoltaicos provenientes da geração energética utilizando tecnologia computacional para controle e manutenção do projeto instalado (MARRINI & ROSSI, 2005).

A conversão de corrente continua para se obter energia elétrica a partir do sol   para o consumo em nosso projeto. O Brasil possui um grande destaque em potencial dessa forma alternativa de obtenção de energia (JARDIM et al., 2004).

2. OBJETIVO

Esse trabalho faz parte de um projeto de construção de um aquecedor solar de água visando construir um sistema de aquecimento de água para uso industrial, este trabalho apresenta o dimensionamento da serpentina de polietileno e sua montagem. O aquecedor solar de água foi constituído a partir de um tanque de armazenamento de água, uma serpentina de polietileno e uma placa fotovoltaica para a determinação da transferência de calor através dela.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1.  Aquecimento Solar de Água

Um sistema de aquecimento solar de água é constituído basicamente por um aquecedor de água (placa solar). Nessa estrutura, que contem um reservatório termicamente isolado, com tubulações de alimentação de água fria e quente, ocorre a conversão de energia solar em energia térmica (BEZERRA, 1999).

3.2. Transferências de calor

Energia pode existir de diferentes formas e uma delas é na forma de calor. Para ocorrer a transferência de calor é necessária que haja diferença de temperatura (força motriz da transferência de calor). O calor pode ser transferido de 3 formas: condução, convecção e radiação (BATISTA; LAMBERTS; GUTHS, 2011).

Quando dois corpos trocam calor entre si, a energia será cedida pelo corpo de alta temperatura para o corpo de menor temperatura (Braga Filho, 2013). Quando houver matéria entre os corpos, pode ser feita a troca por convecção ou condução e se houver vácuo, a troca ocorrerá por radiação térmica, devido a inexistência de um meio físico em corpos com diferentes temperaturas (NOVA et al. 1988).

A condução depende da transferência de energia de partículas mais energéticas para as menos energéticas devido ao compartilhamento entre elas, podendo ocorrer nos sólidos, líquidos e gases. Nos líquidos e gases podem ocorrer de maneira difusora e por colisões entre as moléculas em movimentos aleatórios. Já nos sólidos ocorre por vibrações e combinações de moléculas sendo transmitidas por elétrons basicamente livres (ÇENGEL & GHAJAR, 2012; KERN,1987).

A condução de calor depende de algumas variáveis como a geometria do material a ser utilizado e a diferença de temperatura encontrada (ÇENGEL & GHAJAR, 2012). A taxa de transferência de calor por condução é representada pela lei de Fourier expressa na equação (1) (ANDRADE et al. 2004).                                                                           

3.3. Condução de calor de um vaso cilíndrico

O cilindro pode ser  submetido a um gradiente de temperatura em direção radial, como sistemas unidimensionais, sem geração de calor em regime estacionário. Temos Tin  que é a temperatura constante interna e Tex  a temperatura constante externa, sendo  aproveitada para a transferência de calor pela lei de Fourier do fluxo de calor. Observou-se que pelo comprimento do cilindro pode se obter calor por meio de regime permanente e transferência de calor por condução, sendo que um gradiente de temperatura  nesse cilindro não depende do tempo (CASTAÑEDA, 2011).

Em sistemas cilíndricos, onde a propagação de calor é unidimensional e permanente,  o gradiente de temperatura permanece operando na direção radial do cilindro. Adaptando a lei de Fourier para esse sistema, a taxa de fluxo de calor é calculada conforme equação 2  CASTAÑEDA (2011).

Em que o gradiente de temperatura na direção do  radial é dT / dr. Aplicando a área de troca de calor a equação se torna.

Integrando esta equação em relação a Tin em rin e Tex em rex :

A equação acima demonstra a distribuição de calor sendo logaritima através da parede cilíndrica (na parede plana a distribuição é linear) (CASTAÑEDA, 2011). Aplicando a resistência térmica aplicada a uma parede cilíndrica temos:

Nesta equação, K é a condutividade térmica em (W/(m.K)), A é a área de seção transversal, e L  o comprimento do tubo. A condutividade térmica (K) é associada à condução e indica a taxa de transferência de energia no processo de difusão (INCROPERA et al. (2013). A condutividade depende da estrutura física da matéria, sendo  a condutividade de um liquido,  menor que de um solido que, por sua vez, é maior que no gasoso.

Os materiais com valor de condutividade relativamente alto são considerados ótimos condutores de calor e um material de menor valor de condutividade é um mal condutor de calor como, por exemplo, o isolante térmico (ÇENGEL & GHAJAR, 2012).

Pode-se definir a transferência de calor por convecção como dois mecanismos que englobam o movimento molecular aleatório também chamado de difusão molecular e o movimento global do fluído pela energia transferida ao líquido no interior de uma tubulação. Sendo assim, a transferência de calor por convecção ocorre entre um fluído em movimento e uma superfície (INCROPERA et al., 2013).

O fluxo de calor é a  transferência de calor por convecção é calculada segundo a lei de  resfriamento de Newton:

q=h.(TS-T)                                                                                          

em que q é o fluxo de calor em (W/m2),  h é o coeficiente de transferência de calor (W/(m2. K)) por convecção, Ts é a temperatura da superfície e T é a temperatura do fluído.

A radiação é um tipo de transferência de energia que envolve a propagação,  emissão e  absorção de energia eletromagnética. A radiação é a única reação que opera em vácuo em seu processo (Canedo, 2012; BRAGA FILHO, 2013).

O fluxo térmico através da radiação pode ser obtido por:

Pode se dizer que  é a emissividade, σ é a constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,67. 10-8 W/(m2. K4)), Ts é a temperatura absoluta em Kelvin (CAVALCANTE & HAAG, 2005).

A taxa de radiação absorvida (qabs) pode ser calculada através da equação abaixo:

Em que qabs é  a taxa de  calor absorvido, α é uma constante Stefan-Boltzman, Qincide é o calor incide na superfície do material.

E a troca de calor total de radiação pode ser calculada segundo a equação abaixo:

3.4. Fluxo de calor através da parede de um tubo cilíndrico.

O calor ao atravessar a parede do cilindro da qual o calor corre constantemente por todo tubo, sabendo que ao longo do comprimento, toda a área ao ser atravessada pelo fluxo de calor, aumenta em relação a distancia de rin e o rex. Sendo assim a área total da serpentina é expressa por 2 , e se o calor flui para fora do tubo cilíndrico, o gradiente de temperatura em relação ao comprimento dr é dT/dr (KERN, 1987).

4. POLIETILENO

O polietileno planar obedece à conformação zig-zag, repetindo-se os monômeros (–(CH2)n-) e terminando em grupos CH3 (LEGUENZA, 1999). Segundo Telles (2003), o polietileno é um dos mais simples e baratos materiais termoplásticos derivado da polimerização do eteno. Esse material apresenta leveza e capacidade de flutuar na água, sendo de baixíssima resistência mecânica, com ótima resistência ao impacto, além disso,  resiste bem a temperaturas entre -50°C e +50°C.

O polietileno pode ser divido em polietileno de baixa densidade (LDPE) e polietileno de alta densidade (HDPE), sendo que  o LDPE, produzido com pressões entre 1000 e 3000 atmosferas e com temperaturas entre 100 a 300°C, apresenta cristalinidade de 50 e 60% e temperatura de fusão entre 110 a 115°C. Essas propriedades o caracterizam como um material  de alta resistência a impactos, boa processabilidade e alta flexibilidade (COUTINHO;  MELLO; SANTA MARIA, 2003;  COSTA & LEAL, 2011;   OLIVEIRA, 2008; GUERRINI et al., 2004). As  propriedades do LDPE estão apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1: Propriedades físicas do  LDPE de baixa densidade.

Propriedades Método  ASTM LDPE
Densidade, g/cm3 D792 0,912 -0,925
Temperatura de fusão cristalina, °C. ——- 102 – 112
Índice de refração, ND. D542 1,51 – 1,52
Alongamento no escoamento, %. D638 100 – 800
Resistência a tração, Mpa. D638 6,9 – 16
Tração no escoamento Mpa D638 6,2 – 11,5
Alongamento máximo, % D638 100 – 800
Módulo elástico, Mpa. D638 102 – 240
Dureza, Shore D D676 40 – 50

Fonte: (COUTINHO;  MELLO; SANTA MARIA, 2003).

O HDPE é um polímero etileno linear com alta cristalinidade de 90%, sua temperatura de fusão é 132 °C, apresenta  densidade igual a 0,95 e 0,97 g/cm3, e  peso molecular de 50.000 a 250.000 (COUTINHO;  MELLO; SANTA MARIA, 2003). Na tabela abaixo podemos obter as propriedades dos polímeros HDPE e LDPE:

Tabela 2:  Comparação e características dos polietilenos HDPE e LDPE.

LDPE HDPE
Tipos de polimerização Radicais livres Coordenação
Tipo de polimerização, atm. Alta  1000 – 3000 Baixa   1 – 30
Temperatura reacional, °C Alta  100 – 300 Baixa    50 – 100
Tipo de cadeia Ramificada Linear
Densidade, g/cm3 Baixa  0,91 – 0,94 Alta   0,94 – 0,97
Cristalinidade, % Baixa   50 – 70 Alta   até 95
Tm. °C Baixa   110 – 125 Alta   130 – 135

Fonte:(COUTINHO;  MELLO; SANTA MARIA, 2003).

Segundo  MARTINS; SUAREZ; MANO  (1999), os polímeros expostos a radiações ionizantes podem sofrer alterações em sua estrutura molecular,  tendo suas propriedades alteradas. Para estudos de polietilenos recicláveis podemos obter 75% de polietileno de baixa densidade (LDPE) e  25% de polietileno de alta densidade (HDPE)( PISTOR; CHIESA; ZATTERA, 2010; QUENTAL; HANAMOTO; FELISBERTI, 2005).

De acordo com REMEDIO; ZANIN; TEIXEIRA (1999), os materiais poliméricos estão cada vez mais presentes nos resíduos sólidos. Os plásticos  que não são limpos correspondem a 20% em volume e 8%  em relação a massa de entulho urbano. Essa informação é preocupante para o Brasil, uma vez que 10% dos entulhos coletados terão destino final (usinas de compostagem, incineração e aterros sanitários). Os materiais poliméricos provenientes de plásticos recicláveis, passam por  processos químicos, energéticos ou mecânicos, assim permitindo a reciclagem de recursos não renováveis.

Já BURIOL et  al., (1995), define que a transmissividade de um filme do polietileno a radiação solar que será incidente no interior do polietileno, depende da composição do material, da espessura e do tempo que o material será exposto a radiação infravermelha. Além desses fatores as condições climáticas, poeiras em sua superfície e o ângulo de inclinação entre o polietileno e a incidência de raios também afetam a transmissividade.

5. MATERIAIS E MÉTODOS

5.1. Os materiais que foram utilizados em nosso projeto

–  2 terminais de forquilha;

– 4 garras para bateria de 100 amperes;

– 3 Fios polarizados 2″ x 1,5mm;

2 Baterias de lítio Ir44;

– 100 Metros de mangueira de polietileno preta 1/2 ” x  1,5 mm;

– 1 Caixa passagem 12mm x 12mm x 7,5mm;

– “2  Uniões internas ½”;

–  2 Emendas rosqueáveis ½ x ½;

– “2  Adaptadores internos ½”;

– 5 Cabos flex. 1,5mm;

– 2 Diodos;

– 2 Flanges ½”;

– 1 Caixa d’água  marca Fortlev de 100 litros;

– 1 Bisnaga espuma expansiva de 500 ml;

– 1 Termostato 20° a 120°C;

– 1 Resistência de 200 w 12 Volts;

– 1 Caixa de isopor;

– 2 Luvas cola rosca;

– 2  Canos de 20 cm para colar;

– 1 Sensor de temperatura;

– 1 Armação de ferro para enrolar a mangueira;

– 1 Placa solar de 30 watts por 12 Volts;

– 1 Bateria de 95 Ampéres (capacidade de carga);

– 1 Reservatório de inox de 25 litros;

– 1 Boia de nível;

– 1 Termômetro infra vermelho.

5.2 Equações utilizadas nos cálculos para determinar a vazão volumétrica da água (WRITE, 2011).

Volume do cilindro é dado por:

V = L .A

Onde V = Volume do cilindro
L = Comprimento do tubo
A = Área de seção transversal do tubo m2

Utilizando o cálculo de tempo por:

V = Volume de água (litros)
t = intervalo de tempo (s)
A = Área de seção transversal do tubo m2

A partir dos conceitos básicos de cinemática a relação d/t é a velocidade de escoamento, pode-se escrever a vazão volumétrica por:

Utilizou-se equações para calcular a taxa de transferência de calor (INCROPERA et al., 2013).

q  = h . A . ( Tin – Tex )

Onde q = Taxa de transferência de calor
h  =  Coeficiente convectivo
A = Área de troca térmica
Tin = Temperatura interna do tubo.
Tex = Temperatura externa do tubo.

Utilizou-se para os cálculos de coordenadas cilíndricas a correlação do número de Prandtl, e a correlação de  Churchill-Chu é para ampla faixa do numero de Rayleigh e Nusselt valores precisos desenvolvidos por Morgan, para o cilindro horizontal (MORAN et al., 2013).

Onde NuD = Valor  adimensional de Nusselt
Ra = Valor  adimensional de Rayleigh
Pr = Valor  adimensional de Prandtl

Cálculo de Rayleigh expresso pela equação abaixo:

Onde o Ra é o valor de Rayleigh,  é o valor da gravidade,  é a expansão térmica, Ts temperatura da parede, T  é a temperatura do fluido, dc3 diâmetro interno do cilindro,  difusividade térmica,  é a viscosidade cinemática.

Em que h é o coeficiente convectivo, NUD é o valor de Nusselt, Kf condutividade térmica do fluido, Din é o diâmetro interno.

Calcular a vazão mássica da água expresso abaixo (FOUST, 2012).

Em que o (m) é a vazão mássica em (KJ/s),  é a massa especifica da água,  velocidade da água, A é a área em  R2 .

Calcular  da taxa de quantidade de calor expresso abaixo (MORAN et al., 2013).

Em que q é a taxa de calor em (KJ/s ou W), m é a vazão mássica em (KJ/s), cp é o calor especifico em (KJ/Kg°C) e Tsaida é a média da temperatura da água da saída da serpentina (°C), Tentrada é a média da temperatura da água da entrada da serpentina de polietileno (°C).

Resistência a condução e convecção interna expressa abaixo (MORAN et al., 2013).

Em que q é a resistência a condução e convecção interna (W), Tparede é a temperatura interna da parede do tubo, Tágua dentro do tubo é a temperatura da água no interior do tubo, Rcondução é a resistência a condução de calor da água dentro do tubo, Rconvecção interna é a convecção interna do tubo em relação a água.

6. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O aquecedor solar de água foi construído de uma maneira sustentável e com baixo custo, permitindo que a água permaneça aquecida  durante o dia para uso industrial.

A mangueira  foi enrolada (Figura 2) em uma estrutura de ferro de aço carbono de 61cm. Pegou-se o suporte de ferro e enrolou-se toda a mangueira em volta desse suporte, dando 35 voltas em relação a 100 metros de mangueira fixada no suporte de ferro em forma de serpentina, fixando-a no suporte para não desenrolar.

Logo em seguida, adaptou-se a caixa d’água de 150 litros (Figura 1) no suporte adaptado com uma mangueira na entrada e na saída e uma boia de controle de nível, que manteve o nível da água sempre cheio. A placa solar fotovoltaica (Figura 3)  foi colocada em cima do suporte, ligada por cabos para conduzir a energia para bateria de 95 amperes hora (Figura 4) e  foi adaptado um diodo que serve para conduzir a energia gerada pela placa para a bateria, porque sem o diodo a energia estava retornando para a placa devido a este motivo colocamos um diodo, que impede que a  energia volte para a placa.

O reservatório de inox (Figura 4) a entrada de água proveniente da serpentina de polietileno na parte de cima do reservatório e com a saída por baixo.

Notou-se que o reservatório de inox  estava perdendo calor e portanto instalou-se uma caixa de isopor (com capacidade  máxima de 25 litros) para isolar o reservatório. Entre os espaços da caixa e do isopor foi colocada espuma expansiva que atua como isolante tanto quanto elemento fixador.

Adaptou-se um termostato (Figura 4) em cima do reservatório para que houvesse controle de temperatura. Notou-se que nos dias que não houve sol o projeto poderá aquecer a água no reservatório usando a bateria mais a bateria depende do sol para ser carregada.

7. MONTAGEM DO AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA

Figura 1- Caixa d'água fluxo continuo com uma boia interna para regulagem da água.
Figura 1- Caixa d’água fluxo continuo com uma boia interna para regulagem da água.
Figura 2 – Mangueira de polietileno enrolada em formato de serpentina em uma estrutura de ferro (aço carbono) para não desenrolar.
Figura 2 – Mangueira de polietileno enrolada em formato de serpentina em uma estrutura de ferro (aço carbono) para não desenrolar.
Figura 4 – Reservatório de inox com isolamento de isopor, bateria e o termostato.
Figura 4 – Reservatório de inox com isolamento de isopor, bateria e o termostato.
Figura 5 – Projeto em funcionamento com mangueiras de água adaptadas.
Figura 5 – Projeto em funcionamento com mangueiras de água adaptadas.
Figura 6 – Construção do projeto do aquecedor solar de água.
Figura 6 – Construção do projeto do aquecedor solar de água.
Figura  7 - Termômetro infra vermelho (Raytek) da marca Fluke. 
Figura  7 – Termômetro infra vermelho (Raytek) da marca Fluke.

Os testes realizados no dia nublado e chuvoso e no dia de Sol, foram realizados da mesma forma, utilizando um termômetro infravermelho da marca Fluke para medir a temperatura do tubo externo. Esse termômetro infravermelho mede temperaturas sem contato com o corpo ou o meio de que se deseja saber a temperatura. Os termômetros infravermelhos mais comuns são o de absorção e emissão que determina a temperatura de medição da radiação que incide sobre a tubulação (que absorve parte da radiação).

As medições foram feitas em um mesmo intervalo de comprimento de onda. O termômetro infravermelho de radiação nos permite que pode-se ter uma medida de leitura direta de uma agulha única a um elemento sensível, onde se concentra através de um espelho parabólico.

Para saber a vazão de água da saída da mangueira, mediu-se o tempo necessário para encher um béquer de 1 litro. O tempo decorrido foi de 1 minuto e, dessa forma, a vazão volumétrica foi de 1,66.10-5 m3/s e a velocidade do escoamento foi de 3,9 .10m/s.

As temperaturas obtidas através do sistema de aquecimento em diferentes horários no  dia nublado e no dia ensolarado estão apresentados nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

Tabela 3 – Temperaturas obtidas através do sistema de aquecimento em diferentes horários no  dia nublado e chuvoso.

Horário 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30
Temperatura Ambiente °C 28 33 33 33 33
Temperatura  do tubo externo da serpentina °C 44 45 41 42 35
Temperatura de  entrada na serpentina 33 34 32.2 31.9 31
Temperatura   da Saída da serpentina °C 37,5 39,5 33 33 31
Variação de Temperatura °C 4,5 5,5 0,8 1,1 0

 

Tabela 4 – Temperaturas obtidas através do sistema de aquecimento em diferentes horários no  dia ensolarado.

Horário 09:40 11:40 13:40 15:40 16:40
Temperatura Ambiente °C 21 27 30 31 31
Temperatura  do tubo externo da serpentina °C 37 43 46 47 47
Temperatura de  entrada na serpentina 27 27,2 32,4 27,8 26,7
Temperatura   da Saída da serpentina °C 29,5 42,2 47,8 37,7 37,2
Variação de Temperatura °C 2,5 15 15,4 9,9 10,5

 

A água entrou na serpentina com uma média de 28,22°C em dias ensolarados e nos dias nublados e chuvosos a média da temperatura na entrada foi de 32,42°C. A temperatura nos dias de sol deveria estar mais alta, mas o que propiciou essa temperatura foram os horários de análises diferentes, o que pode ser visualizado nas tabelas 3 e 4 referentes aos testes e horários realizados.

A média de temperatura na saída da serpentina no dia ensolarado foi de 38,88°C, e no dia nublado e chuvoso obteve-se uma média de temperatura de 34,8°C. Esses resultados indicam que a temperatura da água de saída dependerá da radiação que incide sobre a serpentina de polietileno e sobre a placa solar.

A água utilizada na entrada do projeto foi proveniente da torneira, armazenada em um reservatório de  150 litros. A mangueira para aquecimento da água é feita de polietileno de alta densidade mais rígido. A placa solar foi carregando a bateria, a bateria enviou energia para sustentar a resistência ligada, o que manteve o reservatório com a água aquecida.

Este projeto foi criado em pequena escala e para apresentação. Para ser usado em indústrias, o projeto tem que ser de maior escala, utilizando maiores baterias, reservatórios, mais placas solares, um termostato adequado para maior amplitude de temperatura e uma quantidade maior de serpentinas dependendo do fluxo de água.

8. CÁLCULO DA SERPENTINA DE POLIETILENO

Diâmetro da serpentina de polietileno: ½” = 0,5″

Espessura da serpentina de polietileno:  1,5mm/1000mm=1,5.10-3m

Com base nesses valores foram calculados o diâmetro interno e externo e os raios internos e externos da serpentina de polietileno. Diâmetro externo é utilizado para encontrar a velocidade do fluido, sem o diâmetro externo não teria como encontrar a velocidade do fluido.

1″ _______ 0, 0254m
0,5″_______ x
Dex  = 0,0127m
Diâmetro externo da serpentina de polietileno Dex = 0,0127 m

Raio externo é utilizado para determinar a temperatura interna da parede do tubo com os valores do raio externo, sem esses valores seria impossível calcular a temperatura interna do tubo.

Diâmetro interno é utilizado para o cálculo da velocidade do fluido e do número de Reynolds, sem o valor do diâmetro interno não seria possível calcular a velocidade da água dentro do tubo e consequentemente não poderíamos determinar o escoamento do fluido em laminar ou turbulento do nosso projeto.

Diâmetro interno é calculado subtraindo 2 vezes a espessura da parede do diâmetro externo.

(– 2 x 1,5.10-3 )+ 0,0127 = 9,7.10-3 m

Diâmetro interno da serpentina de polietileno Din = 9,7.10-3 m

Raio interno é utilizado para determinar a temperatura da parede interna do tubo com os valores do raio interno, é utilizado para achar a área de escoamento do fluido dentro do tubo.

Rin = Rex –  espessura da serpentina de polietileno

Rin =  6,35. 10-3m – 1,5.10-3m = 4,85.10-3m

Raio interno da serpentina de polietileno Rin = 4,85.10-3m

O cálculo da área serve para encontrar a área de escoamento do fluido em toda a serpentina em m2, onde podemos ter uma área de escoamento desejável em nosso projeto para a troca de calor entre a serpentina e o ar externo, aquecendo a serpentina e consequentemente aquecendo a água no interior da serpentina.

8.1 Cálculo da vazão volumétrica da serpentina de polietileno (WHITE, 2011).

Com base nos valores anteriores, nos permite encontrar a vazão volumétrica em m3/s e quanto de água esta passando pela serpentina e o resultado será utilizado para encontrar o cálculo da velocidade. Mediu-se para cada 1 litro de água na entrada do reservatório com capacidade de 25 litros, saindo da serpentina, o tempo para encher o reservatório com 10 litros em m3/s.

Este cálculo nos permitiu saber, o quanto de água passa pela serpentina de polietileno uma boa vazão volumétrica adequada e se não houvesse este cálculo não teríamos como calcular o próximo cálculo da velocidade da água.

 8.2 Cálculo da velocidade (WHITE, 2011).

Este cálculo nos permite saber, se a velocidade da água no interior da serpentina com os dados da vazão volumétrica, podemos calcular o número de Reynolds, pela velocidade da água em m/s, onde podemos obter no próximo cálculo um tipo de escoamento laminar ou turbulento.

Esta velocidade obtida satisfaz o valor encontrado no cálculo acima, onde temos uma velocidade adequada pelo tipo de magueira de polietileno utilizada em nosso projeto.

8.3 Cálculo do número de Reynolds (Junior et al., 2007; SOUZA et al. 2011; KERN, 1987).

Este cálculo nos permite definir a partir da velocidade da água se o regime de escoamento do fluido se dá como turbulento ou laminar. Neste cálculo temos dados anteriores do escoamento da água, em nosso projeto o escoamento se deu como laminar.

O número de Reynolds é um cálculo que nos permite obter valores abaixo de 2100 e acima de 2300, podemos dizer que se o número de Reynolds for menor que 2100 o escoamento se dá como laminar, e se o valor do número de Reynolds ultrapassar 2300 podemos concluir que o escoamento se dá como turbulento, e o resultado que obtivemos foi bom para saber determinar se houve uma adaptação de bomba ou não, em nosso projeto e isso determina o quanto a serpentina de polietileno é capaz de aquecer a água por convecção natural.

9. CÁLCULO COEFICIENTE CONVECTIVO DO FLUIDO AR EM RELAÇÃO Á PAREDE EXTERNA DO TUBO (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber a taxa de calor emitida pelo ar na serpentina que esta absorvendo calor na parte externa do tubo por convecção natural, sendo assim é possível obter resultados da taxa de calor na serpentina de polietileno. Dados para o cálculo do número de Rayleigh (LIENHARD IV & LIENHARD V, 2000; JIMENEZ-ISLAS et al., 2009).

9.1. Cálculo do número de Rayleigh do ar (LIENHARD IV & LIENHARD V, 2000; JIMENEZ-ISLAS et al., 2009; MORGAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, se o ar esta sendo conduzido por convecção natural ou forçada, ao ser emitido na parte externa da serpentina de polietileno, este cálculo foi bom porque podemos dizer que, o ar foi conduzido naturalmente e se o valor fosse maior seria um ar forçado na parte externa da serpentina.

9.2.Cálculo do numero de Plandtl do ar (INCROPERA et al., 2013). (Temperatura do ar encontrado por regressão linear é um valor mais preciso encontra-se no Anexo A) Pr = 0,71

Este cálculo nos permite saber e solucionar problemas em transferências de calor, quanto menor o valor de Plandlt, o calor será transferido mais facilmente comparado com a velocidade (o momento) no instante em que o calor esta sendo transferido para serpentina de polietileno, onde ocorre a transferência de calor da parte externa do tubo para a parte interna do tubo, é bom ter uma transferência de calor adequada, porque se não houvesse transferência de calor não haveria um bom aquecimento.

9.3. Cálculo do número de Nusselt correlação de Churchill-chu para cilindro horizontal (Foust, 2012; BRITO; MENON; PIRANI; 2009; MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, quanto maior o valor de Nusselt maior será o calor trocado por convecção e quanto menor esse valor, menor será a troca de calor por convecção, sendo assim é capaz de saber se na troca de calor da serpentina ocorre por condução de calor ou convecção de calor ou apenas por condução ou convecção de calor, neste projeto pode-se saber que a troca de calor ocorreu por condução e convecção natural.

Pelo resultado obtido no cálculo anterior de Nusselt, podemos dizer que houve uma boa convecção natural e condução de calor e se não houvesse este cálculo não saberíamos se houve convecção e condução durante o aquecimento da água.

9.4. Cálculo coeficiente convectivo do ar (Ar = 300 K valor encontrado Anexo A)

Kf = 0, 02623 W/m. K.

Este cálculo nos permite saber, o quanto de calor absorvido do ar  na serpentina em relação a parede externa do tubo, podemos saber o quanto de calor foi absorvido na serpentina de polietileno pelo ar externo, no valor encontrado abaixo, podemos dizer que foi um resultado bom e ruim devido as nuvens e ventos que atrapalham o aquecimento externo.

10. CÁLCULO COEFICIENTE CONVECTIVO DO FLUIDO ÁGUA EM RELAÇÃO À PAREDE INTERNA DO TUBO (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, a taxa de calor absorvida pela água dentro da serpentina onde o calor é transferido para a água da parte interna do tubo por convecção, onde podemos obter valores de aquecimento da água. Dados para o cálculo do número de Rayleigh (LIENHARD IV & LIENHARD V, 2000; JIMENEZ-ISLAS et al. 2009).

10.1. Cálculo de temperatura do tubo interno equação realizada pela Lei de Fourier (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, a temperatura interna do tubo, onde temos a temperatura externa e encontramos a interna pelo cálculo da Lei de Fourier, sendo assim podemos obter com este cálculo a temperatura que foi transferida do tubo externo para o interno da serpentina de polietileno.

Pelos dados obtidos no cálculo da temperatura interna do tubo, podemos dizer que foi uma boa troca de calor entre a parede externa do tudo em relação ao ar externo, para aquecer a parte interna do tubo de polietileno, se não houvesse esse cálculo não teríamos como saber a temperatura interna do tubo.

10.2. Cálculo do número de Rayleigh (LIENHARD IV & LIENHARD V, 2000; JIMENEZ-ISLAS et al. 2009).

Este cálculo nos permite saber, se a água esta sendo conduzida por convecção natural ou forçada, sem esse cálculo não teria como saber se houve convecção na serpentina de polietileno.

Os valores obtidos no cálculo anterior nos demonstra, o quanto a água foi conduzida por convecção natural e sem este cálculo não poderíamos saber se houve convecção natural na serpentina de polietileno.

Calor especifico da água valor encontrado no (Anexo C) cp.: 4,18 KJ/Kg°C ou 4,18. 10-3 J/Kg°C

Temperatura da água em uma média de  33,9°C  em  307,05K

Condutividade térmica valor encontrado no (Anexo F) K = 0, 623 W/m°C

10.3. Cálculo do número de Prandtl da água (INCROPERA et al., 2013). (Anexo C) ou por regressão linear podendo chegar ao valor exato.

Este cálculo nos permite saber, solucionar problemas em transferências de calor quanto menor o valor de Plandlt, o calor será transferido mais facilmente comparado com a velocidade (o momento) no instante em que a água esta absorvendo temperatura no decorrer do escoamento dentro da serpentina.

Pelo valor obtido no cálculo anterior de Prandlt, houve uma boa transferência de calor na serpentina de polietileno, o valor se deu como o esperado e teve bom aquecimento da água, se não houvesse este cálculo não poderíamos saber se houve um bom aquecimento.

10.4. Cálculo do número de Nusselt correlação de Churchill-chu para cilindro horizontal (Foust, 2012; BRITO; MENON; PIRANI; 2009; MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, que  quanto maior o valor de Nusselt maior será a troca de calor por convecção.

Sendo assim, pelo valor obtido no cálculo acima podemos dizer que a serpentina de polietileno teve sua maior troca de calor por convecção do que por condução de calor em relação a água escoando dentro do tubo, sem esses cálculos não teríamos como saber se houve uma boa troca de convecção ou condução de calor.

10.5. Cálculo coeficiente convectivo da água (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, o quanto de calor a água absorveu em relação a parede interna do tubo.

O valor encontrado pelo cálculo do coeficiente convectivo nos permite saber que houve uma troca de calor adequada da água com a parede interna do tubo, houve uma boa troca de calor em relação ao valor obtido e se não houvesse este cálculo não teríamos como saber, o quanto foi a troca de calor da parede interna do tubo em relação á água escoando na parte interna do tubo de polietileno.

11. CÁLCULO DA RESISTÊNCIA TOTAL (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite  saber, o quanto de calor absorvido a serpentina absorveu nesse período de aquecimento em relação ao ar emitindo energia radiante do ambiente e a água sendo aquecida na parte interna do tubo.

 

O valor encontrado no cálculo acima nos permite saber,  o quanto  de energia foi transferida para a serpentina de polietileno e sua eficiência em aquecimento no projeto pela serpentina, pelo resultado obtido podemos dizer que foi uma boa absorção de temperatura da água no interior do tudo em relação ao aquecimento da serpentina na parte externa do tubo, sem este cálculo seria impossível saber o quanto de calor a serpentina teria absorvido e transferido esse calor para a água no interior do tubo de polietileno.

11.1. Calcular a vazão mássica da água (FOUST, 2012).

Este  cálculo nos permite saber, a quantidade mássica de um fluido que escoa em uma seção de tubulação por unidade de tempo.

O valor da vazão mássica nos permitiu saber, que o valor obtido no cálculo anterior foi muito bom e podemos dizer que  quantifica o calor recebido pela água no interior da serpentina e nos permitiu aquecer a água por unidade de tempo, se não houvesse este cálculo não saberíamos se houve um aquecimento adequado por unidade de tempo que a serpentina ficou exposta sendo aquecida pelo ar externo.

11.2. Calcular  da taxa de quantidade de calor (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, o quanto de calor a água foi aquecida durante o processo de transferência de calor  na serpentina de polietileno.

q = m. cp. (Tsaida água – Tentrada água)
q = m. cp. (33,9 – 28, 8)
q = 1,15.103 x 4,18 x (33,9 – 28,8)
q = 24,5.103 KJ/s ou 24,5.106 W

O valor encontrado na equação acima nos permite saber, o quanto de calor a água absorveu para se aquecer durante a transferência de calor, e isso nos proporciona uma eficiência de troca de calor obtida pela serpentina de polietileno, esse resultado obtido foi bom para determinar o quanto de calor a água aqueceu, sem este cálculo não teria como saber o calor transferido para a água.

11.3. Fluxo de calor de  condução e convecção interna (MORAN et al., 2013).

Este cálculo nos permite saber, o quanto  de calor por condução e convecção interna a água absorveu de energia para ser aquecida.

O valor encontrado pelo fluxo de calor nos permite, ter uma troca de calor da serpentina de polietileno suficiente para o aquecimento da água, o valor obtido é muito bom em relação a serpentina se não houvesse este cálculo não teria como saber, se a água  absorveu ou não energia por condução de calor e convecção interna, a energia em forma de calor para o aquecimento da água no interior da serpentina de polietileno.

CONCLUSÃO

Para a fabricação do aquecedor solar  de água,  concluiu-se que é possível adaptar uma ligação elétrica para manter ou elevar a temperatura nos dias que não houver sol. O projeto atingiu bons resultados e pode ser implantado nas usinas que necessitam manter a  água quente em seu processo. O dimensionamento da mangueira foi feito a partir da vazão de água, e uma média de  temperatura de entrada e saída da mesma, os cálculos de coordenadas cilíndricas de condução de calor, e convecção de calor  e da radiação solar que incide na superfície da serpentina. Observou-se por cálculos do número de Reynolds que o tipo de escoamento é laminar por convecção natural e não forçada se fosse por convecção forçada teríamos que ter calculado a perca de carga da serpentina para saber  a potencia da bomba  que  poderíamos utilizar para impulsionar o escoamento da água dentro da serpentina de polietileno. Para trabalhos futuros pode se colocar em volta da serpentina de polietileno uma cobertura de vidro com isso o calor incidente na superfície da serpentina atravessa o vidro e mantém o espaço externo da serpentina mais aquecido, menor perca de calor pode haver e melhor será o aquecimento da água pela serpentina e com os valores obtidos nos cálculos podemos saber o quanto o projeto foi capaz de absorver a energia do sol, que incidiu na superfície da serpentina de polietileno podendo assim, saber que o nosso projeto é de grande influência no aquecimento da água sem poluição do ambiente.

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[1] Bacharel em Engenharia Química – ao Centro Universitário do Norte Paulista – UNORP

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