Roteiro de replicação – Projeto Aquecedor Solar

Colégio Pedro II – Unidade Escolar Centro       Turma: 2106           Série: 1º ano E.M             Ano:2012

Componentes do Grupo:

  • Matheus Ramos Ferreira – nº 23                                                            Priscilla Mestolo Maia – nº 26
  •  Rodrigo Sibilio do Nasimento de Barros – nº 30                                Thais Lorenzi Blatt – nº 34

Material necessário:

– bandeja de alumínio tamanho 30×20 cm                                   – tinta preto-fosco em jet

– um pedaço de vidro de espessura 2 mm, tamanho 30×20 cm

– uma lata vazia de alumínio, semelhante à de leite em pó

– 70 cm de mangueira plástica (5/16″)

– 4 pedaços de tubinho de alumínio, tendo 4 cm cada

– Durepoxi normal (secagem lenta)                                                – cola de silicone

– suporte de alumínio para encaixar a bandeja                            – furadeira                            – jornal

Primeiramente, deve-se fazer os furos necessários na lata de alumínio e na bandeja, que servirão para passagem de água através da fixação dos tubinhos de alumínio e da mangueira.

 

Pinta-se então a bandeja toda com tinta preto-fosco e fixa-se os tubinhos de alumínio e a mangueira com cola de silicone. Após a secagem desta, utiliza-se o Durepoxi. A cola de silicone serve como um meio de prevenção de possíveis vazamentos.

Para um melhor acabamento, pode-se umedecer levemente os dedos e moldar o Durepoxi, dando mais uniformidade.

Fixa-se também o vidro na borda da bandeja com o auxílio do silicone e Durepoxi. Essa é uma das partes que deve-se tomar mais cuidado, para que não ocorram vazamentos.

 

Para o reservatório (lata de alumínio), devem ser feitos 2 furos na lateral, onde serão fixados os outros 2 tubinhos de alumínio com silicone e Durepoxi. O que servirá como entrada de água quente deve ser fixado acima da metade da lata, enquanto que o de saída de água fria deve ser fixado bem próximo ao fundo.

 

 

 

 

 

 

Taxa de  irradiação :

Massa de água: 3000g
Área da bandeja : 30cm x 20 cm = 600 cm²
Diferença de temperatura ≈ 28,2 – 26,2 = 2º
Calor especifico da água = 1,0 cal /g
Tempo : 120 minutos (2horas) x 60 = 7200
Caloria =  diferença de temperatura x calor especifico x massa
                                             2 x 1 x 3000= 6000
Taxa de irradiação : caloria/ (massa x área)
  • 6000/(3000.600) = 6000/1800000 = 0.003
  • Taxa de irradiação final :
  • 0.003 cal / s.m-²

Questões opcionais:

–  Considerando um chuveiro elétrico de 3.200 kWh de potência em uma casa com uma familia de 4 pessoas que tomam 2 banhos por dia de 7 minutos .

Total de Iitros no final do mês :
7x4x25x2x30= 42000 litros
7- minutos
4- pessoas
25 litros gastos por banho
2 – número de banhos por dia
30 – dias do mês
Tempo total gasto por mês :
7x 4 x 30= 840 minutos
840/60=14 horas por mês
Joule : 3200×14=44800 cal , então é 44,8 kWh
4,2 joule = 1 caloria , logo, 44800/4,2 = 10667
Caloria por mês : 10667
Custo : tempo x consumo = 0,34304 x 44,8 = R$ 15,36
2- supondo que o chuveiro citado acima tem a potência de 110 hWh e utilizando os mesmos valores
840 minutos por mês
Joule = 110.14=1540 então 15,4 kWh
4,2 J -= 1 cal logo 1540/4,2 = 366 calorias
Custo  = 0,34304 x 15,4 = 5,28
15,36- 5,28 = 10.08
A familia tem a economia de cerca de 48,84 % por mês
Licença de distribuição do roteiro:
<a rel=”license” href=”http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/“><img alt=”Licença Creative Commons” style=”border-width:0″ src=”http://i.creativecommons.org/l/by/3.0/br/88×31.png” /></a><br /><span xmlns:dct=”http://purl.org/dc/terms/” href=”http://purl.org/dc/dcmitype/Dataset” property=”dct:title” rel=”dct:type”>Aquecedor Solar Didático</span> de <a xmlns:cc=”http://creativecommons.org/ns#” href=”http://aprendendofisica.net/rede/” property=”cc:attributionName” rel=”cc:attributionURL”>Priscilla Mestolo , Matheus Ferreira , Rodrigo Sibilio , Thais Lorenzi</a> é licenciado sob uma <a rel=”license” href=”http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/“>Licença Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil</a>.<a rel=”license” href=”http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/“><img alt=”Licença Creative Commons” style=”border-width:0″ src=”http://i.creativecommons.org/l/by/3.0/br/88×31.png” /></a><br /><span xmlns:dct=”http://purl.org/dc/terms/” href=”http://purl.org/dc/dcmitype/Dataset” property=”dct:title” rel=”dct:type”>Aquecedor Solar Didático</span> de <a xmlns:cc=”http://creativecommons.org/ns#” href=”http://aprendendofisica.net/rede/” property=”cc:attributionName” rel=”cc:attributionURL”>Priscilla Mestolo , Matheus Ferreira , Rodrigo Sibilio , Thais Lorenzi</a> é licenciado sob uma <a rel=”license” href=”http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/“>Licença Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil</a>
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Roteiro de Replicação de Aquecedor Solar Didático

Colégio Pedro II – U. E. Centro

Relatório de Replicação do Projeto de Aprendizagem

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 : 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

Licença Creative Commons

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Roteiro de replicação para o aquecedor solar

Colégio Pedro II – Unidade Escolar Centro

Turma 2106 – 1º ano do Ensino Médio – Ano: 2012

Nomes:

Giovanna Brevigliero Neves – nº 12

Gabrielle Alves – nº 10

Roberto Gomes – nº 28

Sofia Alves – nº 32

. Material necessário para a montagem

Primeiramente, listaremos os materiais necessários para o preparo do dispositivo:

  • Tinta preta fosca spray
  • Tabuleiro de alumínio medindo 35×24 cm
  • Vidro com as mesmas dimensões do tabuleiro
  • Martelo
  • Prego
  • Durepoxi
  • Cola de silicone
  • Caneta permanente
  • Mangueira transparente
  • Pedaços de antena de TV
  • Lata de alumínio

. Montagem efetiva do dispositivo

1º passo: Realização dos furos na lata e no tabuleiro para a instalação dos pedaços de antena a fim de servir como canal para a passagem da água, juntamente com a mangueira.

2º passo: Fixação do Durepoxi nos pedaços de antena e no reservatório e na superfície.

3º passo: Pintura da superfície que será a base do dispositivo com a tinta preta.

. Após a pintura, é necessária a pausa de algumas horas para a secagem e fixação total da tinta no tabuleiro.

4º passo: Colagem do Durepoxi nas bordas da superfície para a futura fixação do vidro no dispositivo.

 

5º passo: Fixação do vidro no dispositivo por meio do Durepoxi.

6º passo: Fixação das mangueiras nos pedaços de antena de TV a fim de finalizar o canal por onde a água irá passar.

. Cálculo da taxa de irradiação

Infelizmente, nosso grupo não teve muita sorte ao calcular a taxa de irradiação de nosso produto final. Todos os dias que nos disponibilizamos a calcular, o tempo não estava muito bom, o que retardou o pouco aquecimento que houve. Bem, mas vamos aos cálculos.

Área do coletor: 24x35cm = 840 cm²

Calor específico da água: 1,0 cal/gºC

Temperatura inicial: 25º C (temperatura ambiente)

Temperatura final: 35º C

Massa de água: 300g

Tempo: 1 hora

Taxa de irradiação estimada: 9,9 cal/m² s ou 99000 cal/cm² s

. Itens facultativos

1) Chuveiro no inverno (grande utilização de água quente)

Potência – 5400 W         Quantidade – 2           Uso de h/ por dia – 1h         Kwh – 324

Custo: R$97,60

. Essa economia pode variar em até 17%.

2) A economia de energia artificial varia de acordo com a quantidade de luminosidade do lugar, já que quanto mais luminoso, menos energia artificial é necessária de ser gasta durante o dia. Em lugares como o Nordeste, é comum os habitantes construírem suas casas com telhados transparentes para permitir a entrada de luz solar durante o dia, ajudando assim na preservação do meio ambiente e na economia de suas contas.

Fontes: brasil.gov.br e proceleficiencia.celesc.com.br

. Licença do trabalho
Licença Creative Commons
Roteiro de Replicação de Sofia Alves, Giovanna Brevigliero, Gabrielle Alves, Roberto Gomes é licenciado sob uma Licença Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Brasil.

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Roteiro – Aquecedor Solar

 

 

Colégio Pedro II – Unidade: Centro

Rio de Janeiro, 08 de maio de 2012

Nomes: Bruna Fernandes da Silva Avelino   Número 7

Thaís Nogueira Muniz                      Número 33

Série: 1° ano do Ensino Médio          Turma: 2102

 

 

 

Passo a passo…

Na noite anterior ao início do trabalho, pintamos a bandeja de tinta preta fosco. Ao amanhecer, com os materiais a mão, iniciamos a montagem do nosso aquecedor. Levamos a bandeja e a lata – nosso futuro reservatório – para o serralheiro fazer furos de acordo com a espessura do tubinho de alumínio. Voltando para o nosso ambiente de trabalho, ficamos perplexas com tantos materiais que nunca manuseamos, mas conseguimos unir a mangueira com o tubinho e o último com a bandeja, com a ajuda do durepoxi. No principio, duvidamos de sua capacidade de fixação e reconhecemos que fora de grande valia ultrapassarmos nossos receios.

 

Na hora de pôr em prática, um pequeno acidente aconteceu. Não misturamos suficientemente de durepoxi e, somado ao fato de que esperamos pouco para este secar e endurecer, a água vazou por entre furos. Após isso, adicionamos mais durepoxi, misturamos de forma correta e esperamos uns dias para que ele endurecesse completamente.

Assim, finalmente chegara o dia de testar nosso aquecedor. Enchemos o reservatório de água, com 1300 ml, e rapidamente reparamos que a água invadiu a bandeja coberta pelo vidro. Posicionada na janela, de frente para o sol, a bandeja ficou.

O primeiro método de propagação do calor que notamos é a irradiação, que ocorre quando o sol bate no vidro, esquentando-o com seu calor. Consequentemente, a bandeja se aquece e água dentro dela também esquenta por condução, já que a energia térmica das partículas mais quentes é passada de um meio para outro meio. Por fim, a convecção acontece em nosso aquecedor solar, quando a água aquecida e, portanto menos densa, sobe e vai para o reservatório enquanto a mais fria, e mais densa, desce pronta para ser aquecida. Um ciclo que se repetiu por 60 minutos, até que a temperatura antes de 27,3 °C aumentasse para 39,4°C, quando toda a água ficou aquecida.

 

Cálculo da taxa da Irradiação

 

1300g = Massa da água

Área da bandeja = 28 x 21 = 588 m²

Diferença de temperatura = 39,4 – 27,3 = 12,1°C

Calor específico da água = 1 cal/g°

1 hora = 60 x 60 = 3600 segundos

Taxa de Irradiação = calorias sobre massa x área. (cal/seg x m²)

Calorias = diferença de temperatura x calor específico x massa = 12,1 x 1 x 1300 = 15.600

15.600/ 3600seg x 588 = 15.600/2116800 = 0, 007

Irradiação = 0,007 cal/ s.m²

 

 

Itens Facultativos 

 1)

Vamos considerar um chuveiro elétrico de 4000 watts de potência por mês. Se em uma família de 4 pessoas, cada uma gasta 10 minutos diários tomando banho, teremos no final do mês: 10 x 4 x 30 = 1200 minutos = 20 horas.

Joule = 4000 x 20 = 80000.  Então, 80 kWh.

4,2 Joule = 1 caloria. Então, 80000/4,2 = 19047.

Calorias = 19047 por mês.

Custo = tarifa x consumo = 0,34304kWh x 80 = R$ 27, 4432 por mês.

 

2)

Com uma potência de 220 kWh por mês. Usando os mesmos números, 10 minutos diários emuma família de 4 pessoas: 10 x 4 x 30 = 1200 minutos.

Joule = 220 x 20 = 4400.  Então, 4,4 kWh.

4,2 joule – 1 caloria. Então, 4400/4,2 = 1047

Calorias = 1047 por mês.

Custo = 0,34304kWh x 4,4 = R$ 1, 509376 por mês.

O aquecedor solar promove uma economia de mais ou menos 95 % no gasto com a água na hora do banho.

Licença de Distribuição

 

<a rel=”license” href=”http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/”><img alt=”Licença Creative Commons” style=”border-width:0″ src=”http://i.creativecommons.org/l/by-nc-nd/3.0/br/88×31.png” /></a><br /><span xmlns:dct=”http://purl.org/dc/terms/” href=”http://purl.org/dc/dcmitype/Text” property=”dct:title” rel=”dct:type”>Relatório de Física</span> está licenciado sob uma <a rel=”license” href=”http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/”>licença Creative Commons Atribuição-Uso não-comercial-Vedada a criação de obras derivadas 3.0 Brasil</a>.

 

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