Roteiro de Replicação do Aquecedor Solar

Colégio Pedro II

1º ano E.M – T.: 2106

Integrantes do grupo:

1. Anna Carolina Alkmim Arlotta            N°01
2. Anna Clara Cardoso Soares             N°02
3. Luiza Barreto Gabriel                         N°21
4. Nathalia Lima Sartore                        N°28

Materiais:

• Uma bandeja (metálica) retangular pequena. (tabuleiro de bolo)
• Um pedaço de vidro (espessura 2 mm) com dimensões para encaixe na bandeja.
• Uma lata vazia de leite em pó.
• 70 cm de mangueira plástica fina.
• 4 pedaços (3 cm de comprimento cada) de tubinho de alumínio (vareta de antena de TV).
• Tinta preto-fosco em spray.
• Durepoxi.

Para a montagem da base:

• Um piso.
• Durepoxi.
• Dois tubos de alumínio para sustentar a bandeja.

Como fazer:

• Primeiramente, fizemos dois furos nas laterais do tabuleiro, com distância de 4 mm do fundo do mesmo. Na lata, fizemos também dois furos, porém os dois na vertical com cerca de 4 centímetros de distância entre eles para o encaixe dos tubinhos de alumínio (antena de TV).
• Após a execução dos furos, pintamos a bandeja com tinta em spray preto-fosco. Optamos pela tinta spray pois sua secagem é rápida e o preto-fosco permite uma melhor absorção de radiação solar.
  Após a secagem, cortamos a antena em 4 partes com 3 centímetros cada e a mangueira em 2 partes com 70 cm cada. Encaixamos cada mangueira nos tubos da antena e esta na bandeja e na lata, fixando com durepoxi para evitar vazamentos.
• Colocamos 4 rolhas nas extremidades da bandeja, servindo como espaçadores para apoiar o vidro. Depois, fixamos o vidro de 2mm de espessura na bandeja, envolvendo-o com uma camada de durepoxi.
• Para um melhor funcionamento do nosso projeto, isolamos nosso reservatório com isopor para que não houvesse trocas de calor entre a lata e o meio externo. Assim, a temperatura da água aquecida não seria influenciada pela temperatura do ambiente e o reservatório não perderia muito calor. Também resolvemos fazer uma base para que nosso coletor (bandeja) ficasse inclinado e os raios solares o atingissem com mais facilidade.

 

 

Funcionamento:

Os raios solares incidem no vidro, passando por ele e aquecendo o fundo do tabuleiro, que por ser de alumínio esquenta com facilidade. Assim, a água em contato com o tabuleiro é aquecida tornando-a menos densa. A água mais leve retorna ao reservatório, desta vez aquecida. Dessa forma, a água fria contida no reservatório é conduzida ao coletor (tabuleiro), repetindo o ciclo continuamente. Depois de algum tempo é possível verificar que a água dentro da lata aumentou de temperatura. Nesse processo vemos três formas de propagação de calor: irradiação (pelos raios solares), condução (a água em contato com o tabuleiro quente é aquecida) e convecção (ao observarmos o ciclo convectivo).

Problemas Encontrados:

• Após terminarmos a montagem do sistema, verificamos no nosso teste que havia vazamentos entre a bandeja e o vidro, pois a distância entre o fundo da bandeja/ coletor e o vidro era muito grande (superior a 4 mm), aumentando a pressão da água. Devido a esse problema, refizemos todo o sistema. Na montagem do novo coletor, seguimos com mais rigor as instruções, diminuindo, então, a distância que gerou o problema já citado.
• No novo teste o aquecedor solar funcionou corretamente, porém no dia da apresentação do trabalho surgiram muitas bolhas de ar na mangueira impedindo a água quente de chegar ao reservatório. Não conseguimos retirá-las da mangueira e nosso sistema não funcionou.
• Ainda com vontade de vermos o aquecedor funcionando, pesquisamos e solucionamos tal problema. Colocamos o reservatório abaixo do nível do coletor, dessa forma, a água retornou para a lata, preenchendo toda a mangueira superior e eliminando as bolhas de ar.
• É importante ressaltar que o tamanho da mangueira pedido era de 35 cm cada. Somando, então, 70 cm. Ao colocarmos 70 cm em cada mangueira, cometemos um erro, pois a passagem de água precisava de mais pressão para realizar o ciclo convectivo, dificultando a passagem de água quente ao reservatório.

 Índice de radiação solar média:

                Para calcularmos o índice de radiação solar média, usamos duas fórmulas:

• Q = M x C x Δθ à Fórmula usada pra saber a quantidade de calor.
• Quantidade de calor (cal) = Massa (gramas) x Calor específico ( cal/ g. °C )  x Δθ ( °C ).

* Massa de água (gramas): para calcular sua massa foi utilizado um recipiente de 900 ml para o enchimento do sistema.

Utilizamos 900 ml + 600 ml = 1500 ml = 1,5 l.

1,5 l = 1,5 kg = 1500 gramas.

 

* Calor específico da água (cal / g. °C): 1 cal/ g °C.

 

*  Variação de temperatura (°C):

12 horas – 28 °C

13: 50 horas – 36 °C

36 °C – 28 °C = 8 °C.

 

Calculamos, então:

Q = M x C x Δθ

Q = 1500 x 1 x 8

Q = 12000 cal.

 

• IR = Q / A x Δt
• Índice de radiação (cal/ s. m²) = quantidade de calor (cal) / área (m²) x variação do tempo (segundos).

*  Quantidade de calor (cal): 12000 cal.

*  Área do coletor (m²):

26 cm x 16 cm = 416 cm² = 0,0416 m².

*  Variação de tempo (s):

12 horas – 28 °C

13:50 – 36 °C

13:50 – 12:00 = 1:50

1 hora e 50 minutos = 60 minutos + 50 minutos = 110 min x 60 = 6600 s.

 

Calculamos, então:

IR = Q / A x Δt

IR = 12000 / 0,0416 x 6600

IR = 12000 / 274, 56

IR = 43, 70629370629371

IR = aproximadamente 43, 7 cal / s. m².

 

Estimativas:

 1.       Estimar o consumo de água quente mensal numa família de 4 pessoas:

• Segundo a NBR – 7198 de Instalações prediais de água quente, o consumo médio diário de uma pessoa é:

Casa à 45 litros / pessoa / dia.

Apartamento à 60 litros / pessoa / dia.

 

• Calculamos o consumo mensal (30 dias) para cada pessoa:

Casa à 45l / pessoa / dia x 30 dias = 1350 litros / pessoa / mês.

Apartamento à 60l / pessoa / dia x 30 dias = 1800 litros / pessoa / mês.

 

• Calcula-se quanto uma família de 4 pessoas gastam por mês:

Casa à 1350 l / pessoa / mês x 4 pessoas = 5400 litros / família / mês.

Apartamento à 1800 l /pessoa / mês x 4 pessoas = 7200 litros / família / mês.

 

2.     Estimar a economia, em reais, que se faz ao trocar o aquecimento de água por energia elétrica pela energia solar.

 

Tendo como base os seguintes dados:

• O chuveiro elétrico Lorenzetti que possui 5500 watts de potência;
• Cada pessoa da família toma, pelo menos, um banho de 10 minutos por dia.

 

Energia consumida = potência do chuveiro x tempo de duração do seu uso.

 

* Potência do chuveiro: 5500 W.

* Tempo de uso do chuveiro: 4 pessoas x 10 min x 30 dias = 1200 min/família/mês.

* Energia consumida:

5500 W x 20 horas/ família /mês = 110000 Wh = 100 kWh.

Na conta de luz de uma residência de uma família de 4 pessoas que moram na cidade do Rio De Janeiro, no ano de 2014, o preço pelo kWh é de R$ 0,50098. Calculamos:

1 kWh = R$ 0, 50098

110 kWh = R$ X

R$ X = 110 kWh x 0,50098

R$ X = 55, 1078

R$ = 55, 10

 

Então, conclui-se que R$ 55,10 é a economia se fosse utilizado o aquecedor solar no lugar do chuveiro elétrico de 5500 W por mês.