Aprendendo Física em Rede

Colégio Pedro II – U. E. Centro

Relatório de Replicação do Projeto de Aprendizagem #1

Aquecedor Solar Didático

Disciplina: Física

Prof.:Sérgio Lima

1ª Série do Ensino Médio

Turma: 2106

Componentes:

Clara Loureiro Gadelha de Azedias Nº: 05

Gerson Faustino Ribeiro da Silva Nº: 11

Lucas Barcellos Oliveira Nº: 19

Paulo Araújo

• Introdução:

Atualmente, é crescente a preocupação com o meio ambiente e a preservação de nosso planeta. Um dos principais vilões apontados como a causa da poluição, aquecimento global e destruição de ecossistemas é a procura por combustíveis com a finalidade de se obter energia.

Dentre as alternativas vistas como sustentáveis e não-agressivas ao meio ambiente, destaca-se a energia solar. Com a tecnologia atual, tornou-se fácil obter energia diretamente da irradiação solar, gerando uma alternativa não-poluente e vinda de uma fonte inesgotável de energia (por enquanto).

É com esta preocupação ambiental e seguindo as tendências atuais de sustentabilidade, foi realizado o Projeto de Aprendizagem #1: a construção de um aquecedor portátil de água movido a energia solar. Foi uma oportunidade enriquecedora de desenvolver habilidades, aprofundar os estudos de termologia e propagação de calor e trabalhar em grupo.

Materiais necessários para a realização do trabalho:

1. Uma pequena bandeja de metal, retangular ou  forma para bolo pequena

(de alumínio);

2. Um pedaço de vidro (espessura 2 mm) de dimensões compatíveis com as

da bandeja;

3. Uma lata vazia de leite em pó, preferencialmente, de metal;

4. 70 cm de mangueira plástica fina (¼ ” );

5. 4 pedaços (de 3 cm de comprimento cada) de tubinho de alumínio (vareta de antena de TV);

6. Tinta preto-fosco;

7. Durepoxi com secagem lenta.

* Recomenda-se que a bandeja seja comprada antes do vidro e que sejam anotadas as medidas da bandeja de forma mais precisa possível, para permitir o melhor encaixe do vidro e visto que possa ser necessário encomendar o vidro com antecedência.

• Montagem:

A montagem do aquecedor ocorreu no dia 23/04/2012 (segunda-feira), reunindo os componentes do grupo. No total, a montagem do projeto levou aproximadamente 3 horas para ser concluída.

1. Primeiramente, com alguns dias de antecedência, a parte interna da bandeja coletora foi pintada com a tinta preto-fosco, em duas demãos. A tinta preto-fosco permite melhor e mais eficiente absorção de energia (calor).

   

   Momento da pintura

   

   Bandeja após aplicação da tintaRecomenda-se que o interior da bandeja seja limpo com álcool etílico antes da pintura, de forma a permitir melhor aderência da tinta.

2. No dia 23 de abril, foram feitos furos na bandeja coletora e na lata, que funcionará como reservatório. Os furos foram feitos da forma como se segue, utilizando uma furadeira:

   

   Dois furos nas laterais da bandeja coletora

   

   Dois furos na lata de forma que os tubinhos possam ser encaixados

3. O pedaço de 70 cm de mangueira plástica foi então dividido em duas partes iguais de 35 cm cada. Estes pedaços servirão para conectar a bandeja coletora à lata-reservatório, permitindo que a água circule.

   

   O corte da mangueira foi feito utilizando-se uma faca.

4. Depois, foram afixados, utilizando durepoxi, os tubinhos metálicos (dois tubinhos na bandeja e mais dois na lata), e neles foram afixadas as mangueiras plásticas, como na foto abaixo.

   

   Preparação do Durepoxi

   

   Momentos após a aplicação do Durepoxi

   

   Imagem da lata após fixação dos tubos e mangueiras

5. Então, o pedaço de vidro foi cuidadosamente afixado sobre a bandeja coletora utilizando durepoxi, de forma que o vidro cobrisse toda a área da bandeja. Nesta etapa foi utilizado um pouco de silicone para selar qualquer espaço ou fresta entre o vidro e a bandeja, evitando vazamentos.

   

   O vidro foi limpo com um pano antes de sua fixação

   

   Momento em que o vidro é colado à bandeja com Durepoxi

6. Foi preparada uma estrutura para manter a bandeja inclinada quando estiver em funcionamento. Foi utilizado mais tubos de alumínio, durepoxi e um pedaço de piso. Obs.: Recomenda-se que a bandeja possua uma inclinação em graus que sua latitude. No caso, no Rio de Janeiro, ela deve possuir cerca de 23° de inclinação.

   

   Base criada para manter a bandeja inclinada

• Testagem:

O aquecedor então foi preenchido por completo com água à temperatura ambiente e certificamo-nos de que não havia ar dentro dele, pois poderia prejudicar sua eficácia. Aguardamos algum tempo para verificar se o aparelho apresentaria alguma falha ou vazamento. Nas fotos abaixo vemos o aparelho completamente montado e pronto para uso.

Fotos do resultado da montagem

O aparelho então foi disposto em céu aberto em um dia razoavelmente ensolarado.

• Estimativas:

Conforme a NBR-7198/82 de Instalações prediais de Água Quente, o consumo de água quente médio diário de uma pessoa é de:

Casa → 45 litros/pessoa/dia

Apartamento → 60 litros/pessoa/dia

Desta forma em um mês (de 30 dias) gasta-se:

 Casa → 1350 litros/pessoa/mês                (45 x 30)

Apartamento → 1800 litros/pessoa/mês   (60 x 30)

 Em uma família de 4 pessoas, temos:

Casa → 5400 litros/família/mês               (1350 x 4)

Apartamento → 7200 litros/família/mês  (7200 x 4)

Após consulta à tabela no site do INMETRO, verificamos que um chuveiro elétrico simples da marca Lorenzetti, modelo Relax, possui 4500 watts de potência.

Consideramos que cada membro da família de 4 pessoas toma, no mínimo, um banho por dia de 10 minutos de duração.

4500 W = 4500 J/s

Energia consumida = Potência do chuveiro x tempo de utilização do aparelho

Tempo de utilização = 10 min x 4 x 30 = 1200 min = 20h

Energia consumida = 4,500 x 20 = 90,000 kWh

Após consulta ao site da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), constatamos que, no estado do Rio de Janeiro, no ano de 2012, o preço residencial de um kWh é R$ 0,34304.

1 kWh = R$ 0,34304

90 kWh = R$ 30,8736 de economia quando utilizado o aquecedor solar em substituição ao chuveiro elétrico de 4500 W, em um mês.

• Índice de Irradiação Solar Média:

Dados:

O aquecedor levou cerca de 1 hora e 30 minutos para aquecer 3,6 litros de água de 23,2°C a 28,5°C, em sol a pino.

Área da bandeja (recebe a irradiação) = 23cm x 33,6cm = 772,8 cm² = 0,07728 m²

Calorias necessárias para aquecer 3,6 litros de água de 23,2°C a 29°C:

Q = 3600 x 1 x 5,3

Q = 19080 cal

Índice de Irradiação:

IR = 19080 / (0,07728 x 5400)

IR = 19080 / 417,312 4173120

IR = aproximadamente 45,7 cal/s m² ou 0,045 cal/s cm²

• Adendo:

Problemáticas encontradas na produção do trabalho

1ª)   Após a montagem, percebemos que a água não preenchia o cano/tubo que traria água quente ao reservatório por completo. Com isso, não havia correntes de convecção, impedindo a água da lata de aquecer.

   Para solucionar isso, elevamos um pouco a lata em realação à bandeja. Percebemos que a lata deveria ficar um pouco mais acima do furo mais alto da bandeja. De fato, o nível de água  no cano elevou-se, porém, ainda restou uma pequena bolha de ar ao final do cano.

   Lembramos que havíamos feito um furo extra na tampa da lata para a introdução do termômetro. Formulamos a hipótese de que esse furo poderia estar causando o problema. Decidimos, então, preencher esse furo com algo para tapá-lo. Desta forma, após o fechamento desse furo, foi possível retirar o ar do cano e permitir o funcionamento do aparelho.

2ª) A lata/reservatório, após alguns testes do equipamento, desenvolveu um processo de oxidação. Para frear esse processo, foi necessário cobrir a região oxidada com vaselina pastosa.

3ª) Percebemos também que em alguns grupos, houve uma maior diferença de temperatura, supostamente devido à maior eficiência de seus aquecedores.

   Porém, observamos também que a temperatura final foi próxima de 30ºC, na grande maioria dos grupos. Os que diziam-se mais eficientes haviam na realidade, colocado água mais gelada. Desta forma, a água foi a temperatura ambiente e, a partir daí, elevou-se, como os de outros grupos, dado que o índice de irradiação solar naquele dia foi igual para todos.

Aparelho completo e "decorado"

Reservatório de Água devidamente revestido para evitar perda de calor para o ambiente