Centro Federal De Educação Tecnológica De Minas Gerais – CEFET-MG

AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO

Belo Horizonte, 03 de Dezembro de 2004.

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INTRODUÇÃO.................................................................................................................3

JUSTIFICATIVA...............................................................................................................3

QUESITOS DE QUALIDADE (QFD)................................................................................3

ATENDIMENTO AOS REQUISITOS DOS CLIENTES:...................................................5

ENGENHARIA DO VALOR..............................................................................................7

ENGENHARIA SIMULTANEA.........................................................................................7

SEGURANÇA DO PROJETO..........................................................................................8

PROJETO ERGONOMCO...............................................................................................8

ENERGIA SOLAR FOTOTÉRMICA.................................................................................9

COLETOR SOLAR FOTOTÉRMICO.............................................................................10

DESENVOLVIMENTO DE COLETOR SOLAR UTILIZANDO MATERIAIS RECICLÁVEIS................................................................................................................10

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.....................................................................................10

PROJETO FÍSICO..........................................................................................................11

EFICIÊNCIA DO AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO.......................................13

ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA..........................................................................14

EXERCÍCIO DE CONSUMO E ECONOMIA COM O USO DO COLETOR....................14

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INTRODUÇÃO

Após algumas discussões sobre os prováveis temas de nosso trabalho, quase que informalmente fazendo um brainstorm, tivemos como sugestões de temas por parte de integrantes do grupo: Tatu Mecânico, multiprocessador de hortaliças e um controlador de alimentação e qualidade de água de um aquário. Todas essas sugestões foram descartadas devido ao caráter técnico e discussões sobre o propósito deste trabalho e da possibilidade de realizarmos todo o trabalho em tempo hábil.Sobre sugestão do professor Sandro, que leciona a cadeira de Projeto de Máquinas e portanto, coordena o nosso trabalho, decidimos então fazer um projeto de um coletor solar de baixo custo.Discutimos então algumas disposições de como poderia ser concebido o nosso projeto e para melhor desenvolvimento dos trabalhos de pesquisa e desenvolvimento, lançamos mão de algumas ferramentas da qualidade segundo o novo conceito mundial.

JUSTIFICATIVA

A justificativa para a realização deste trabalho está no fato de ser o Brasil um grande usuário do chuveiro elétrico e de ser ele um grande consumidor de potência elétrica em um horário específico em nosso país.A maior parte da população brasileira usa o chuveiro elétrico e a previsão de crescimento da economia brasileira para os próximos anos é felizmente animadora, o que nos leva a crer que a demanda de energia vai aumentar consideravelmente, o que já é motivo de preocupação da equipe de planejamento do governo federal. Portanto qualquer projeto que vier a contribuir com a economia de energia viria a calhar quando se pensa por este lado. Além de tudo isto, a energia solar está disponível de forma abundante e pode ser captada de forma limpa, o que é o caso do aproveitamento para fins de aquecimento, com projetos ecológicos, política de fabricação adequada e um pouco de força de vontade. Um outro aspecto que nos leva a concluir positivamente a respeito da viabilidade deste projeto, é o fato de serem tão caros os aquecedores solares convencionais.Seguem, portanto, a descrição das etapas desenvolvidas na construção do projeto do nosso produto.

QUESITOS DE QUALIDADE (QFD)

O nosso público alvo são as classes B e C, que á onde se concentra a grande parte da população brasileira e, portanto onde se consome mais energia com chuveiro elétrico.

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De acordo com uma pesquisa que fizemos com familiares, vizinhos e amigos o nosso aquecedor solar deveria ter as seguintes características:

a) Ser barato;b) Ocupar pouco espaço;c) Fácil instalação;d) Boa aparência;e) Fácil manutenção;f) Longa vida útil;g) Bom funcionamento;h) Boa conservação da temperatura da água;

De nossa própria vontade, sugerimos que o produto fosse o menos poluente possível em todos os quesitos desde o projeto, passando pela fabricação, instalação, funcionamento, manutenção e descarte para não contradizer com as novas regras do mercado e com a finalidade principal de nosso produto.

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ATENDIMENTO AOS REQUISITOS DOS CLIENTES:

Baixo custo Usar produtos reciclados * tubos de vidro de lâmpadas fluorescentes* papel alumínio, isopor, tubo PVC, etc.Usar materiais baratos

Compacto Baixa complexidade construtiva * pouco numero de peças empregadas* utilização de tubos de cobre (baixo calor específico)

Tubulação com alta absorção de calor

Fácil instalação

Simplicidade geométrica * Conexões padronizadas* Peças intercambiáveis

Boa aparência

Carcaça pintada * possibilidade de se adequar ao visual do local de instalação.Razoável qualidade estética dos

materiais.Design moderno

Fácil manutenção:

Peças com fácil acesso * possibilidade de ser reparada por qualquer pessoa que seguir as instruções do manual.

Peças intercambiáveisManual simplificado

Resistência às intempéries

Uso materiais com boa resistência mecânica

* Implicação de uma longa vida útil, adquirida em função dos materiais escolhidos, não gerando elevação do custo final do produto.Pintura

Uso de plásticos resistentes a atmosferaUso de borrachas resistentes ao calor

Bom rendimento

Concentração dos raios solares * Disposição geométrica dos constituintes compatíveis com a melhor absorção de raios solares possíveis.

Grande área superficialBom posicionamento geográficoPossibilidade do uso de mais de uma unidade

Boa conservação da temperatura da água

Reservatório e tubulações bem isoladas

* A utilização de materiais com elevado calor especifico, implica em aquecimento de maior volume de água.Alta temperatura da água

Caixa d’água maior

Não poluente Fácil manutenção * Completamente ecológico.Uso de materiais recicladosUso de materiais mais nobres

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CORRELAÇÕES

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Uso de produtos recicladosUso de materiais baratosPouco número de peçasTubulação com alta absorção de calorConexões padronizadasPeças intercambiáveisCarcaça pintadaRazoável qualidade dos materiaisDesign modernoPouco número de peçasPeças com fácil acessoPeças intercmbiáveisManual simplificadoBoa resistência mecânicaPintura Uso de materiais mais nobresUso de plásticos resistentes a atmosferaUso de borrachas resistentes ao calorUso de materiais mais nobresConcentração dos raios solaresGrande área superficialBom posicionamento geográfico uso de mais de uma unidadeReservatório e tubulações bem isoladasAlta temperatura da águaCaixa d’água menorFácil manutençãoUso de materiais reciclados

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De acordo com a analise do quadro de correlações e verificação dos itens mais importantes montamos a casa da qualidade apresentando aqueles que estão relacionados diretamente com os requisitos dos clientes.Após essa verificação tornou–se necessário a aplicação de uma outra etapa que é a engenharia de valor para podermos atender aos requisitos com o menor custo possível.

ENGENHARIA DO VALOR

O aspecto mais importante do projeto para torná-lo o mais economicamente viável foi a adoção de materiais recicláveis e de fácil obtenção. Dentre eles a utilização do bulbo de lâmpadas fluorescentes queimadas. Alem do que se trata de um material com expressivas resistências aos intempéries e de fácil obtenção. Dentre os outros materiais utilizados temos o isopor, calha de PVC e o papel alumínio que também apresentam características semelhantes ao material das lâmpadas. Com a utilização destes foi possível aumentar o valor do produto tanto para o fabricante quanto para o consumidor uma vez que o produto se tornou facilmente fabricável com um custo relativamente pequeno e com uma benefícios extremamente importantes saindo a preço também relativamente baixo para o consumidor. Ao ser dado inicio à execução do projeto, nos deparamos com varias informações que foram coletadas em função de problemas que foram surgindo. Após algumas reuniões e discussões sobre o assunto divergimos para varias alternativas de soluções. Após feito um apanhado das melhores alternativas, chegamos a soluções fantásticas no que diz respeito a emprego e disposição de materiais.O resultado superou as expectativas do grupo uma vez que o desempenho do produto se adequou as finalidades especificas: Qualidade Confiabilidade Intercambiabilidade Aparência Facilidade de manutenção

ENGENHARIA SIMULTÂNEA

Desde o inicio do desenvolvimento do projeto, foi feita uma divisão sistemática entre os componentes do grupo no âmbito de desempenhar uma preocupação com todas as etapas do produto. Realizamos desta forma a Engenharia Simultânea aplicada ao projeto. Assim, foi atribuído ao grupo cincos atribuições distintas:

Projeto Planejamento do Processo Marketing Manufatura

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Componentes chave do produto; (materiais empregados)

Com aplicação desta ferramenta atingimos alguns objetivos importantes. Dentre eles o fator tempo; que foi de fundamental importância uma vez que o atraso no lançamento de qualquer produto pode implicar a derrota para os concorrentes. Ainda sobre aplicação da Engenharia Simultânea, adquirimos uma significativa melhoria na qualidade do produto sendo esta ditada diretamente pelo consumidor que avaliou o seu funcionamento e achou bastante expressiva a relação custo beneficio. Em suma, a aplicação da Engenharia Simultânea em nosso produto, teve forte ligação com a qualidade, que certamente sofreria um reprojeto se não fosse atribuído ao mesmo.

SEGURANÇA DO PROJETO

Embora o produto desenvolvido tenha sido simples no que se refere a risco ambiental e humano, alguns cuidados foram tomados na intenção de reduzir a zero os riscos. Em tratando-se de Projeto Ecológico, forma selecionados materiais que não fossem tóxicos e que o funcionamento do produto não descarrega-se nenhum tipo de poluente no ar ou na água. Com isso todos os funcionários da produção e os usuários estão protegidos contra qualquer dano a curto e a longo prazo.Analisando a questão Ambiental, pode-se declarar que é um produto de uma vida útil bastante prolongada e as peças constituintes podem ser facilmente descartadas e até mesmo reaproveitadas em alguma outra aplicação.O projeto apresenta-se totalmente seguro uma vez que sejam respeitadas as recomendações descritas no manual de instalação e operação.

PROJETO ERGONÔMICO

O projeto não apresenta qualquer risco à ergonomia humana sendo que não é constituído de nenhum item capaz de violar os limites de segurança. Não apresenta problemas de vibrações, ruídos nem mesmo radiações. Suas dimensões e peso são compatíveis com a capacidade de manuseio de qualquer pessoa. Para isso foram aplicados alguns conceitos de Antropometria Estática

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ENERGIA SOLAR FOTOTÉRMICA

Sol

Segundo a Nasa, o Sol irradia 4.000.000 x 1018 megawatts/hora/ano (MWh/ano), dos quais a Terra recebe em torno de 1,5 x 1018 MWh/ano. Fazendo uma comparação, Itaipu, a maior usina hidroelétrica do mundo, tem uma potência de 12.600 MW. Assim, se pudéssemos aproveitar todo potencial de energia irradiada pelo Sol que chega ao nosso país em apenas uma hora, teríamos energia garantida por várias dezenas de anos (Mil hectares de células solares seriam suficientes para produzir 534 TWh/ano de energia elétrica, o que representa o consumo anual do país em 2000 - cálculo feito tomando-se uma incidência de 4,5 KWh/m2, com doze horas de insolação diária, 365 dias por ano.)Com idade estimada em 5 bilhões de anos e outros 5 bilhões de anos até consumir todo seu combustível e apagar-se, o Sol é um imenso reator que funde átomos de hidrogênio e libera energia abundante, permanente, praticamente inesgotável, limpa, renovável, não poluidora e base de sustentação de todo ecossistema planetário.Mensurada em termos monetários, quanto representaria esse aporte de energia?Ao custo de R$ 121,19 por MWh (média de 2000 - Ministério das Minas e Energia - MME), o Sol despeja na Terra a fabulosa quantia de R$ 181.785 trilhões de reais, ou US$ 72.714 trilhões de dólar (US$1 = R$ 2,50), equivalente a 2.423,8 PIB mundiais (PIB mundial estimado = US$ 30 trilhões/ano).Em outras palavras, seriam necessários 2.423,8 anos para o mundo produzir quantidade semelhante de energia que o Sol nos oferece, gratuitamente, a cada ano.As tecnologias fotovoltaicas e fototérmicas vêm se tornando cada vez mais competitivas, tanto pela queda nos custos quanto pela incorporação dos custos reais de outras formas de geração (eliminação de subsídios, incorporação dos custos ambientais, sociais, saúde pública, etc.).

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COLETOR SOLAR FOTOTÉRMICO

Os coletores solares são equipamentos que tem como objetivo específico utilizar a energia solar fototérmica, através de sua captação e transformação em calor.Coletores solares são aquecedores de fluídos (líquidos ou gasosos) e são classificados em planos ou concentradores, em razão da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. Os fluídos aquecidos podem ser armazenados em reservatórios termicamente isolados até seu uso final como aquecedores de água para banho ou cozinha, ar quente para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas, etc. Devido ao conforto proporcionado e redução no consumo de energia elétrica, os coletores planos são muito utilizados em residências, hospitais e hotéis.O presente estudo tem como meta a manufatura de coletores solares para pré-aquecimento da água a ser utilizada para banho e cozinha, a um custo bastante reduzido, com tecnologia de fácil assimilação e replicação.

DESENVOLVIMENTO DE COLETOR SOLAR UTILIZANDO MATERIAIS RECICLÁVEIS

O presente trabalho de caráter experimental, refere-se a redução no custo e a viabilidade de se instalar coletores solares residenciais com materiais de fácil acesso a população de baixa renda.Atualmente, com os elevados custos energéticos, as instalações de aquecimento de água por energia solar surgiram como uma excelente opção de economia, visto que a energia solar é econômica, adequada ao clima tropical de nosso país e não poluente. Deste modo, o aproveitamento da energia solar constitui uma estratégia para o desenvolvimento sustentável.Diversos autores destacam a importância da energia solar como estratégia para o desenvolvimento dos países: Kluppel (1974); Valdman e dwick (1979); Dickinson e Cheremisinoff (1980); Zilles e Corbella (1990) entre outros.O presente trabalho tem como finalidade o desenvolvimento de um sistema alternativo de aquecimento de água através da utilização direta da energia solar. Este sistema é composto basicamente por uma superfície seletiva, uma superfície trocadora de calor dentro de uma caixa coletora isolada termicamente nas laterais e no fundo, coberto por uma superfície transparente aos raios solares, e lâmpadas fosforescentes ao redor dos tubos, favorecendo a formação do efeito estufa.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A radiação solar em uma dada superfície pode ser determinada pela seguinte equação:Ii = IDNcos + Id +Ir

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Ii : fluxo de radiação que atinge a superfícieIDN: fluxo de radiação direta do sol: ângulo de incidênciaId: componentes do fluxo de radiação difusa do céuIr: fluxo de radiação de ondas-curtas refletidas de outras superfícies]

Visando o aproveitamento eficiente da radiação solar que chega em uma determinada superfície, vários fatores devem ser considerados no projeto e construção do coletor solar, como por exemplo: a sua inclinação, o seu posicionamento e a utilização de materiais apropriados para a favorecer o efeito estufa, em que por análise prévia na etapa de QFD optou-se pelo sistema de dupla estufa (vidro externo + lâmpada fosforescente). Este efeito estufa é o responsável pelas temperaturas elevadas no interior do coletor, é obtido utilizando-se uma superfície negra na tubulação do coletor juntamente com os canos de PVC que focalizar os raios solares para o tubo de modo que a radiação incidente tenha seu comprimento de onda modificado ficando confinada no interior do coletor, sendo absorvida e emitida sucessivamente pela superfície negra.

PROJETO FÍSICO

O coletor solar utilizado no presente trabalho está disposto em um circuito aberto com circulação natural, neste arranjo a água circula apenas devido ao gradiente de temperatura imposto no fluido (efeito termossifão) ao passar no coletor solar. Abaixo é mostrado um coletor clássico que utiliza dos seguinte materiais: chapa de alumínio isolada termicamente; caixa coletora de alumínio isolada termicamente; cobertura de alumínio e arranjo de tubos de cobre. Em conjunto com este coletor utilizou-se como reservatório térmico isolado uma caixa de amianto revestida com lá de vidro.

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Coletor Solar plano disposto em circuito aberto com circulação natural

Coletor solar clássico

O princípio de funcionamento do coletor proposto é a concentração dos raios solares incidentes num tubo de cobre, pela ação de um espelho circular.O coletor solar alternativo mostrado na figura abaixo foi construído utilizando-se dos seguintes materiais: 06 folhas de isopor de 1m2 cada, vidro transparente fino 700x420mm, 04 lâmpadas do tipo bastão reaproveitadas, madeira de forro, 06 conexões T, 2,5m de tubos de cobre.

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Aquecedor solar com concentração dos raios

Este espelho circular é na verdade uma lâmpada fluorescente, usada, limpa e higienizada, com 40W de potência, esta é uma solução bastante viável pois além de ser uma excelente estufa possibilita a sua reciclagem que é extremamente delicada por conter substância tóxicas (mercúrio). Esta Lâmpada fica localizada no centro(foco) do espelho, recobrindo o tubo de cobre(por onde existe a passagem de água), impedindo que o calor que chega, proveniente do sol por irradiação, seja conduzido para a atmosfera por convecção através do ar. Desta forma o único caminho que o calor absorvido terá para fluir com facilidade é pela água no interior do tubo de cobre passando diversas vezes pelo seu interior até ser totalmente aquecida.

EFICIÊNCIA DO AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO

Insolação média em Belo Horizonte: 4 kWh/dia/m2.1 kWh = 860 Kcal.150 a 200 litros de água aquecida entre 35o C e 45o C por dia. (dados estimados a partir de outros coletores também de baixo custo)05 coletores de 0,7 m x 0,42 m.Kcal = litros de água x (temp. final – temp. inicial).

Cálculos ResultadosÁrea total dos coletores 0,70 x 0,42 x 5 1,47 m2

Kcal = litros de água x (temp. final – temp. inicial)

150 x (35o C – 20o C) 2.250 kcal/dia

1 kWh = 860 kcal 2.250 kcal / 860 kcal/dia 2,616 kWh/diaProdução do sistema 2,616 kWh/dia / 1,55 m2 1,69 kWh/dia/m2

Eficiência do sistema 1,69 kWh/dia/m2 / 4 kWh/dia/ m2

0,4220 ou 42,20%

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ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA

Consumo de água para banho: 180 litros/dia.Água pré-aquecida a 35oC: 150 litros/dia.Relação disponibilidade/consumo: 0,83 ou 83%.

Considerando-se, então, que 83% da água para banho a 45o C estará disponibilizada pelo coletor a cada dia, apenas 30 litros necessitarão ser aquecidos pelo chuveiro, gerando uma economia de 83% em energia elétrica.

EXERCÍCIO DE CONSUMO E ECONOMIA COM O USO DO COLETOR

Dados:Número de banhos por dia (B): 04.Tempo médio de banho (T): 15 minutos.Consumo de água (C): 3 litros por minuto.Potência da resistência (P): 4,5 kW.Economia com uso de energia solar (E): 75%.Preço do kWh: R$ 0,23.Número de residências no Brasil: 27.000.000.1 m3 de água equivale a 1.000 litros.Custo Estimado do PROTÓTIPO PARA TESTES: R$ 92,50Material Quant

.Pr. Unitário [R$] Pr. Total [R$]

Tubo de cobre 15mm2500mm 02 17,00 34,00Folha de Isopor 02 3,00 6,00Vidro Transparente 01 15,00 15,00Lampada fosforescente 0 0 0Tubo PVC 0 0 0Madeira de Forro 0 0 0Fluxo protetor solda 01 0,50 0,50Arame de solda 01 1,00 1,00Conexões T 06 3,00 18,00Joelhos 09 2,00 18,00

TOTAL 92,50

Custo de Geração e Distribuição de Energia: US$ 2.000,00/kW.Seqüestro de Carbono: 2,5 a 10 toneladas/hectare/ano por 20 anos (florestas tropicais).

Outros Dados:Na produção termoelétrica de eletricidade (gás), temos que:

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Para produzir 1 kWh de energia emite-se 0,6 kg de CO2.Para produzir 1 kWh de energia elétrica, consomem-se 7 m3 de água do reservatório da hidroelétrica.Para produzir 1 kg de grãos são necessários 1.000 litros de água.Para geração, transmissão e distribuição, são necessários investimentos da ordem de US$ 2.000,00 por kW.

Cálculo ResultadosFamília 4 pessoasConsumo anual de água B x T x C = 04 x 15 x 03

x 36565.700 litros

Consumo anual de energia elétrica

B x T x P = 04 x 15 (= 1 hora) x 4,5 x 365

1.642,5 kWh

BenefíciosEconomia de Energia Elétrica

1.642,5 kWh x 75% 1.231,875 kWh

Economia em R$ 1.231,875 kWh x R$ 0,23 R$ 283,33Retorno do investimento R$ 283,33 / R$ 120,00 5,08 mesesRedução na emissão de CO2

1.231,875 kWh x 0,6 kg 739,125 Kg CO2

Equivalente em Seqüestro de Carbono

739,125/2.500 ou739,125/5000

0,29565 ha ou0,14782 ha

Economia de água (reservatórios)

1.231,875 kWh x 7 m3 8.623,125 m3

Produção de grãos 1 m3 de água = 1 kg de grãos

8.623,125 kg de grãos

Benefícios para o paísEconomia de Energia Elétrica

1.231,875 kWh x 27.000.000

33.260.225.000 kWh

Economia em R$ R$ 283,33 x 27.000.000 R$ 7.649.910.000,00Redução na emissão de CO2

739,125 kg CO2 x 27.000.000

19.956.375.000 kg

Equivalente em Seqüestro de Carbono

19.956.375.000/2.500 ou 19.956.375.000/5.000

7.982.550 ha a3.991.275 ha

Economia de água (reservatórios)

8.623,125 m3 x 27.000.000

232.824.375.000 m3

Produção de grãos 8.623,125 kg x 27.000.000

232.824.375.000 kg

Economia em investimento (geração,

(33.260.225.000 kWh/365d/24h) x US$

US$ 7.593.658.675,79

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distribuição) 2.000Custo de Instalação Residencial

R$ 120,00 x 27.000.000 R$ 3.240.000.000,00 ouUS$ 1.296.000.000,00

Para o modelo definitivo serão feitos coletores maiores o que possibilitará uma maior economia.

Como vemos, uma idéia simples e barata como o coletor reciclável pode gerar enormes benefícios.

a) Diminuindo a poluição atmosférica.b) Evitando a queima de florestas para a produção de energia.c) Poupando água, nosso mais importante recurso natural.d) Poupando energia elétrica.e) Abrindo novos campos de trabalho (fabricação de componentes, manufatura, instalação e manutenção).

Por fim, instalar, como um programa de governo, um coletor em cada residência do país teria um custo de US$ 1,296 bilhão, o que permitiria economizar US$ 7,592 bilhões. Um ótimo negócio!!!

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