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Relatório da matéria de modelagem do terceiro ano da engenharia mecânica da Escola Politécnica da USP, desenvolvido no primeiro semestre de 2015 e referente ao tema de redução do consumo de água no banho.
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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
RELATÓRIO FINAL
METODOLOGIA DO PROJETO I
Turma 26 Grupo A
Bernardo Castellini Bichucher 8586259
Emmanuel Gantois Longa Filho 7625625
Letícia Rubinstein Cavalcanti 8586270
Lucas Bitran Giestas 8583152
Marcela Tuboida Ponta 8585971
Marco Vítor de Brito Oliveira 8586284
Marina Borges Martins 8586304
Victor Ismail Miguel 8586408
Professores: Marcelo Massarani e Paulo Carlos
Kaminski
São Paulo
2015
Turma 26 Grupo A
RELATÓRIO DE ESTUDO DE VIABILIDADE
E PROJETO BÁSICO
Relatório do estudo de viabilidade
e projeto básico para a matéria de
Metodologia de projeto 1, código
PME 2320, do curso de engenharia
mecânica da Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo
Professores: Marcelo Massarani e
Paulo Carlos Kaminski
São Paulo
2015
Resumo
O presente relatório busca apresentar a metodologia empregada no
desenvolvimento do “Estudo de Viabilidade” e “Projeto Básico” de um sistema mecânico
para auxílio na redução do consumo de água. Em análise encontra-se um dispositivo
que reduz o desperdício de água ocorrente no início do aquecimento de chuveiros a
gás. No “Estudo de Viabilidade”, busca-se justificar a escolha do tema a partir da
identificação de que se trata de uma necessidade real, com um mercado promissor e
com propostas de soluções factíveis nas áreas técnica, ambiental, legal e econômica.
Dessa forma, foram registrados em cada etapa os métodos de pesquisa, análise e seus
respectivos resultados atingidos, em conformidade com a metodologia objeto do curso
PME 2320 (Metodologia do Projeto I) do curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica da USP.
Na segunda etapa do projeto, fazendo uso de um método de tomada de decisão,
uma das soluções factíveis é escolhida como a melhor e, a partir de então, análises
mais profundas são feitas a respeito da mesma. Nessas análises, os parâmetros do
produto são ajustados para alcançar-se uma otimização do mecanismo para que,
então, seja feito o primeiro protótipo do mesmo.
Palavras-chave: Água, desperdício, banho, chuveiro a gás, metodologia, viabilidade,
chuveiro híbrido, projeto.
Abstract
This report aims at presenting the methodology used in the development of the
“Feasability Study” of a mechanical system used in aiding the reduction of water
consumption. In analysis is a device that reduces the waterwaste that occurs at the start
of heating process in gas-heated showers. In the “Feasability Study”,it issought to justify
the themechoice through the recognition that it is indeed a real need, with a promising
market and with feasible solutions in the technical, environmental, legal and economic
areas. Thus, in each step the research methods, analysis and its results were registered
in conformity with the object methodology of the course PME 2320 (Project
Methodology I).
In the second stage of the project , making use of a decision-making method ,
one of the feasible solutions is chosen as the best and deeper analyzes are made
regarding it . In these analyzes, the product parameters are adjusted to achieve an
optimization of themechanical system, aiming the first prototypeproduction.
Keywords: water, waste, bath, gas-heated shower, methodology, feasibility, hybrid
shower, project.
Lista de Gráficos
Gráfico 1 - Distribuição de consumo de água residencial no Brasil ................................ 16
Gráfico 2 - Distribuição de consumo de água residencial em São Paulo ....................... 17
Gráfico 3 - Frequência de tipos de chuveiro constatada pela pesquisa ......................... 21
Gráfico 4 – Renda dos entrevistados por tipo de chuveiro segundo a pesquisa ............ 22
Gráfico 5 - Relação entre a renda familiar e o tipo de chuveiro segundo a pesquisa ..... 23
Gráfico 6 - Frequência de tipos de chuveiro em indivíduos da classe A e B segundo a
pesquisa ......................................................................................................................... 24
Gráfico 7 - Tempo percebido para aquecimento por tipo de chuveiro segundo a
pesquisa ......................................................................................................................... 25
Gráfico 8 - Percepção de desperdício de água de acordo com o tipo de chuveiro
segundo a pesquisa ....................................................................................................... 26
Gráfico 9 - Tempo esperado de retorno de investimento segundo a pesquisa .............. 27
Gráfico 10 - Preocupação com a crise hídrica por tipo de chuveiro do usuário segundo a
pesquisa ......................................................................................................................... 28
Gráfico 11 - Preocupação com a falta de água por tipo de chuveiro do usuário segundo
a pesquisa ...................................................................................................................... 29
Gráfico 12 - Forma de cobrança de água para usuários de aquecedor a gás de acordo
com a pesquisa .............................................................................................................. 30
Gráfico 13 - Dificuldade de atingir a temperatura ideal do banho de acordo com o tipo
de chuveiro segundo a pesquisa .................................................................................... 31
Gráfico 14 - Pesos normalizados ................................................................................... 76
Gráfico 15 - Relação entre potência e vazão ................................................................. 85
Gráfico 16 - Temperatura de Saída vs Potência ............................................................ 86
Gráfico 17 - Temperatura vs Potência .......................................................................... 100
Gráfico 18 - Temperatura vs Fluxo ............................................................................... 102
Gráfico 19 - Temperatura vs Espiras ............................................................................ 104
Gráfico 20 - Propriedades do solenoide vs Temperatura ............................................. 105
Gráfico 21 - Tamanho vs Temperatura ........................................................................ 107
Gráfico 22 - Razão vs Temperatura ............................................................................. 108
Gráfico 23 - Variação da voltagem no sistema SCR .................................................... 113
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Determinação do preço do produto ............................................................... 34
Tabela 2 - Índice de elaboração de alternativas utilizado ............................................... 45
Tabela 3 - Custo dos materiais ....................................................................................... 61
Tabela 4 - Funcionários necessários por etapa.............................................................. 62
Tabela 5 - Salário médio dos trabalhadores ................................................................... 63
Tabela 6 - Matriz para a avaliação comparativa entre os critérios ................................. 75
Tabela 7 - Escala de notas ............................................................................................. 75
Tabela 8 - Pesos normalizados ...................................................................................... 76
Tabela 9 - Escala dos critérios ....................................................................................... 77
Tabela 10 - Escala dos critérios ..................................................................................... 78
Tabela 11 - Escala dos critérios ..................................................................................... 78
Tabela 12 - Atribuição de notas para as soluções .......................................................... 79
Tabela 13 - Propriedades Físicas do PPR (Tigre SA, 2013) .......................................... 91
Tabela 14 - Dimensão do tubo de PPR, linha PN12 (Tigre SA, 2013) ........................... 92
Tabela 15- Tabela de Materiais ...................................................................................... 95
Tabela 16 - Tabela de parâmetros ................................................................................. 97
Tabela 17 - Temperaturas em função da a potência ...................................................... 99
Tabela 18 - Fluxos em função da Temperatura............................................................ 101
Tabela 19 - Número de espiras por temperatura.......................................................... 103
Tabela 20 - Propriedades do solenoide vs Temperatura .............................................. 105
Tabela 21 - Comprimento vs Temperatura ................................................................... 106
Tabela 22 - Diâmetro vs Temperatura ......................................................................... 108
Tabela 23 - Entradas e saídas de cada subsistema ..................................................... 115
Tabela 24 - Equações .................................................................................................. 125
Tabela 25 - Materiais utilizados no protótipo ................................................................ 135
Tabela 26 - Divisão de notas entre integrantes do grupo ............................................. 165
Lista de Figuras
Figura 1 - Esboço da solução A ..................................................................................... 40
Figura 2 - Esboço da solução B ..................................................................................... 41
Figura 3 - Esboço da solução C ..................................................................................... 42
Figura 4 - Esboço da solução D ..................................................................................... 44
Figura 5-Water-recycling shower .................................................................................... 54
Figura 6 - Sanitationcompartment for recoveringtheheatfrom hot
wastewaterduringbathing ............................................................................................... 55
Figura 7 - Watersaving system ....................................................................................... 55
Figura 8 - Bath/shower water recycling system .............................................................. 56
Figura 9 - Hybrid Gas-Electric Hot Water Heater ........................................................... 57
Figura 10 - Esquematização da solução escolhida ........................................................ 80
Figura 11 - Separação da solução escolhida em sistemas críticos ................................ 81
Figura 12 - Entradas e Saídas do Sistema de Aquecimento .......................................... 82
Figura 13 - Renderização do modelo em CAD do tubo de PPR (90x180mm) ............... 92
Figura 14 - Modelo de solenoide com hélices internas. Embora comum, não utilizado
por dificuldade de processamento no software CFD. ..................................................... 93
Figura 15: Modelo de solenoide com hélices internas. Embora comum, não utilizado por
dificuldade de processamento no software CFD. ........................................................... 93
Figura 16: Solenoide de diâmetro pequeno e pequeno espaçamento ........................... 94
Figura 17: Renderização da montagem do sistema ....................................................... 96
Figura 18: Visualização do sistema no ambiente do software de CFD .......................... 96
Figura 19 - Gradiente de Temperatura a 0W. Escala de 20 a 21.3ºC ............................ 98
Figura 20 - Gradiente de Temperatura a 6000W. Escala de 20 a 50ºC ......................... 98
Figura 21: Gradiente de Temperatura a 9000W. Escala de 20 a 50ºC .......................... 99
Figura 22 - Entradas e saídas do sistema de controle ................................................. 109
Figura 23 - Funcionamento de um TRAIAC ................................................................. 111
Figura 24 - Divisão de sistemas ................................................................................... 115
Figura 25 - Sensor de temperatura que envia leitura via radio para unidade de controle
..................................................................................................................................... 116
Figura 26 - Esquema de blocos, pontos 3 e 4 sao sensores de temperatura e 8 é a
unidade de aquecimento. ............................................................................................. 117
Figura 27 - Imagens do CAD ........................................................................................ 118
Figura 28 - Adaptador "Macho" - Entrada Chuveiro ..................................................... 127
Figura 29: Adaptador "Femea" - Entrada Tubulação .................................................... 127
Figura 30 - Figura 30: Representação do Tubo ............................................................ 128
Figura 31: Montagem do tubo com o solenoide ........................................................... 128
Figura 32 - Montagem Final do Produto ....................................................................... 129
Figura 33 - Visualização do sistema montado no chuveiro .......................................... 129
Figura 34 - Zoom da ligação dos tubos........................................................................ 130
Figura 35: Vista que o usuário teria do sistema ........................................................... 130
Figura 36 - Design Thinking ......................................................................................... 132
Figura 37 - Esquema simplificado do protótipo ............................................................ 133
asldad
SUMÁRIO
1.Introdução ................................................................................................................... 13
2. Objetivo ...................................................................................................................... 14
3. Estudo de Viabilidade ................................................................................................. 15
3.1. Estabelecimento da necessidade ........................................................................ 15
3.2. Análise da pesquisa de mercado ......................................................................... 18
3.3. Determinação do mercado alvo .......................................................................... 32
3.4. Determinação do preço ........................................................................................ 33
3.5. Determinação da produção .................................................................................. 35
3.6. Especificação técnica da necessidade: ............................................................... 37
3.6.1. Método de formulação de características ...................................................... 37
3.6.2. Especificação técnica .................................................................................... 37
4. Desenvolvimento de alternativas ................................................................................ 39
4.1. Solução A: Saída do chuveiro com reservatório externo ..................................... 39
4.2. Solução B: reservatório proximal acoplado com mistura de água ....................... 40
4.3. Solução C: reservatório proximal com micro aquecimento constante ................. 42
4.4. Solução D: aquecimento elétrico de passagem .................................................. 43
5. Análises ...................................................................................................................... 45
5.1. Análise técnica ..................................................................................................... 45
5.1.1. Saída do chuveiro com reservatório externo ................................................. 45
5.1.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água .................................. 48
5.1.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante ............................ 50
5.1.4. Aquecimento elétrico de passagem .............................................................. 51
5.2. Análise Legal ....................................................................................................... 53
5.2.1. Patentes ........................................................................................................ 53
5.2.1.1. Water-recycling shower, US4893364 (A) ― 1990-01-16 ........................... 53
5.2.1.2. Sanitation compartment for recovering the heat from hot wastewater during
bathing, WO2013020191 (A1) ― 2013-02-14 ......................................................... 54
5.2.1.3. Water saving system, WO2013026116 (A1) ― 2013-02-28 ...................... 55
5.2.1.4. Bath/shower water recycling system, US5345625 (A) ― 1994-09-13 ........ 56
5.2.1.5. Hybrid gas-electric hot water heater, US2013266295 (A1) ― 2013-10-10 56
5.2.2. Comparação com as soluções propostas ..................................................... 57
5.2.2.1. Saída do chuveiro com reservatório externo ............................................. 57
5.2.2.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água .............................. 58
5.2.2.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante ........................ 58
5.2.2.4. Aquecimento elétrico de passagem ........................................................... 58
5.2.3. Normas ......................................................................................................... 58
5.2.3.1. ABNT NBR 5410:2004 .............................................................................. 59
5.2.3.2. NBR 13103 ................................................................................................ 59
5.2.3.3. NBR 7198/93 ............................................................................................. 59
5.3. Análise Econômica .............................................................................................. 60
5.3.1. Gastos com materiais ................................................................................... 60
5.3.2. Gastos com mão de obra: salários e encargos trabalhistas ......................... 62
5.3.3. Gastos com aluguel ...................................................................................... 63
5.3.4. Gastos com o processo de fabricação .......................................................... 64
5.3.5. Gastos com expedição ................................................................................. 65
5.3.6. Gastos com tributação .................................................................................. 65
5.3.7. Cálculo dos custos das alternativas .............................................................. 65
5.3.7.1. Saída do chuveiro com reservatório externo ............................................. 66
5.3.7.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água .............................. 66
5.3.7.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante ........................ 66
5.3.7.4. Aquecimento elétrico de passagem .......................................................... 67
5.3.8. Seleção das alternativas economicamente viáveis ....................................... 67
5.4. Análise Ambiental ................................................................................................ 67
5.4.1. Saída do chuveiro com reservatório externo ................................................ 69
5.4.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água ................................. 69
5.4.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante ........................... 69
5.3.4. Aquecimento elétrico de passagem .............................................................. 69
6. Projeto básico ............................................................................................................ 70
6.1. Escolha da melhor alternativa ................................................................................. 70
6.1.1. Matriz de decisão .......................................................................................... 70
6.1.1.1. Escolha dos critérios .................................................................................. 70
6.1.1.2. Peso dos critérios ....................................................................................... 74
6.1.1.3. Avaliação das soluções .............................................................................. 77
6.2. Análises de sensibilidade ..................................................................................... 80
6.2.1. Análise de sensibilidade de aquecimento ..................................................... 81
6.2.1.1. Modelo simbólico ........................................................................................ 83
6.2.1.2. Relação entre potência e vazão ................................................................. 85
6.2.1.3. Relação entre potência e temperatura de saída ........................................ 86
6.2.1.4. Análises restantes: Geometria da Solenoide e do Tubo ............................ 87
6.2.2. Simulação em software CFD ......................................................................... 90
6.2.2.1. Modelagem de testes ................................................................................ 91
6.2.2.2. Variação da Potência ................................................................................. 97
6.2.2.3. Variação do Fluxo .................................................................................... 101
6.2.2.4. Alteração do formato da resistência ......................................................... 103
6.2.2.5. Alteração do diâmetro do tubo ................................................................. 106
6.2.2. Análise de sensibilidade do controle ........................................................... 109
6.2.2.1. Sistema de controle .................................................................................. 109
6.2.2.2. Escolha do método e componentes de controle ...................................... 111
6.2.2.3. Corrente Alternada e o Algoritmo de controle .......................................... 112
6.2.2.4. Valor de temperatura ................................................................................ 114
6.3. Análise de Compatibilidade ............................................................................... 114
6.3.1. Compatibilidade Funcional .......................................................................... 115
6.3.2. Compatibilidade de Material ........................................................................ 117
6.3.3. Compatibilidade Dimensional ...................................................................... 118
6.4 Análise de estabilidade ....................................................................................... 118
6.4.1. Pressão excessiva em razão do fluxo de água na tubulação ...................... 119
6.4.2. Elevada variação repentina da voltagem .................................................... 120
6.4.3. Presença de bolhas de ar na tubulação ...................................................... 121
6.4.4. Presença de materiais sólidos, impurezas, na água ................................... 121
6.4.5. Evaporação da água devido à resistência ................................................... 122
6.4.6. Entrada de água muito fria ou muito quente ............................................... 123
6.4.7. Características físico-químicas do material utilizado na tubulação (PPR) . 123
6.5. Otimização ........................................................................................................ 124
6.6. Prototipagem ..................................................................................................... 131
6.6.1. Conceito ..................................................................................................... 131
6.6.2. Programa de desenvolvimento ................................................................... 133
6.6.2.1. Definição da função crítica....................................................................... 133
6.6.2.2. Modelos elaborados ................................................................................ 133
6.6.2.3. Materiais utilizados .................................................................................. 134
6.6.2.4. Testes ...................................................................................................... 135
6.6.2.5. Aprendizados ........................................................................................... 136
7. Conclusão ................................................................................................................ 137
8. Referências .............................................................................................................. 138
9. Anexos ..................................................................................................................... 145
9.1 Anexo 1: memorial de cálculo ............................................................................ 145
9.2. Anexo 2: pesquisa aquecimento de chuveiros ................................................ 147
9.3. Anexo 3: testes de hipótese realizados ............................................................. 150
9.4. Anexo 4 ............................................................................................................. 158
9.5. Anexo 5: Código de uma placa dedicada .......................................................... 160
9.6. Anexo 6: divisões de nota do trabalho .............................................................. 165
13
1.Introdução
O projeto em questão busca soluções que reduzam o consumo de água em meio
a um período de forte estresse hídrico no estado de São Paulo. Iniciado em 2014, o
cenário de crise hídrica no estado mais populoso do Brasil está associado a um quadro
de seca, aliado a deficiências em infraestrutura e planejamento. Como consequência
desse cenário, foram implementadas políticas públicas como campanhas de
conscientização, bônus sobre conta de água, redução de pressão de abastecimento e
racionamentos, entre outras iniciativas de controle do consumo e oferta de água, afim
de se evitar o esgotamento de suas reservas.
Segundo Freitas e Santos (1999), dados da Organização Meteorológica Mundial
apontam que o consumo mundial de água aumentou mais de seis vezes em menos de
um século, mais do que o dobro das taxas de crescimento da população, e continuará a
crescer com a elevação do consumo nos setores agrícola, industrial e doméstico. Um
estudo da Agência Nacional de Águas (ANA) realizado em 2010 apontava que, até o
fim do ano de 2015, 55% dos municípios brasileiros poderão ter abastecimento
deficitário decorrente de problemas com a oferta de água do manancial, em quantidade,
qualidade e/ou com a capacidade dos sistemas produtores (MARTINS, 2011). Tais
dados apontam para a necessidade de se empregar ações eficientes na gestão hídrica
e na criação de soluções que reduzam o consumo de água afim de se evitar um quadro
de estresse hídrico generalizado no futuro.
O Brasil é tido como um país rico em recursos hídricos, sendo detentor de 12% a
14% de toda água doce do mundo. No entanto, a distribuição das reservas de água não
segue a da população, como visto no estado de São Paulo, em que 1,6% da água do
país situa-se onde reside um quarto da população (SABESP, 2008). Tal disparidade se
acentua pelo fato de que a Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) apresenta-se
como centro econômico, financeiro e técnico do país, resultando em uma alta demanda
per capita de água para manter a sua produtividade. De fato, o consumo per capta de
água na RMSP é de 175 litros, 27% superior ao visto na Alemanha, 9% superior ao
visto na França e 65 litros a mais do que o recomendado pela ONU (Folha de S. Paulo
12/08/14).
14
Segundo a Aliança pela Água de São Paulo, organização que reúne membros da
sociedade civil que visa contribuir para a questão hídrica no Estado, quatro fatores
principais ocasionaram na situação instalada em São Paulo: uso não racional da água;
desmatamento e poluição das áreas de mananciais; déficit de chuvas e falta de
transparência na gestão dos recursos hídricos. De fato, dados como o nível de água
que não gera receita no Estado apontam que 40% da água fornecida à rede de
abastecimento são perdidos via vazamentos ou, mesmo quando fornecidos aos
clientes, não estão sendo faturados (SABESP, 2009), demonstrando um quadro grave
de uso ineficiente da água. No âmbito de gestão das reservas de água, desde o
processo de renovação do contrato de outorga do Sistema Cantareira para a Sabesp,
em 2004, a necessidade de mais investimentos devido às projeções de demanda de
água para os anos seguintes era considerada uma contrapartida essencial
(Superinteressante, 2015). No entanto, dez anos depois, a conclusão insuficiente das
obras necessárias no manancial contribuiu para a situação de mal abastecimento no
estado.
Dado o cenário em questão, a busca por soluções depende do comprometimento
de cada parcela da sociedade, incluindo o poder público, empresas de saneamento,
industrias, comércio, agricultura e até as faixas residenciais. Nesse âmbito, a
engenharia se posta como uma ferramenta poderosa na produção de soluções e
inovações que auxiliem o uso racional da água. As soluções desenvolvidas no projeto a
seguir visam auxiliar a população na redução do consumo de água, provendo conforto e
a manutenção da qualidade de vida do meio social.
2. Objetivo
O objetivo do presente trabalho é apresentar o Estudo de Viabilidade e
Projeto Básico de um projeto de dispositivo mecânico que reduza o desperdício de
água no início do aquecimento em banhos com chuveiros a gás. Serão apresentados,
por conseguinte, as análises e dados que embasaram a tomada de decisões e o
conjunto de propostas de soluções viáveis técnica e economicamente. O trabalho se
restringirá a metodologia proposta no decorrer da disciplina Metodologia do Projeto I e
15
no livro “Desenvolvendo Produtos com Planejamento, Criatividade e Qualidade”
(KAMINSKI, 2000), tendo como norte a redução do consumo de água aliado a
manutenção da qualidade de vida do usuário.
3. Estudo de Viabilidade
3.1. Estabelecimento da necessidade
A questão do uso racional da água é recorrente na última década, havendo uma
percepção crescente para a causa desde a crise hídrica eclodida em 2014. Nesse
sentido, uma boa gestão de uso da água é necessária devido ao seu custo e
disponibilidade limitada. Com isso em vista, evitar o desperdício de água é não só uma
necessidade, como também um dever cultural do cidadão perante a sociedade e o meio
ambiente.
Diante desse cenário, tornou-se necessário escolher uma esfera econômica
sobre a qual o trabalho se debruçaria: agricultura, indústria, comércio ou residências.
Pela proximidade com a realidade dos integrantes do grupo e por contar com um
mercado amplo, diversificado e aberto a inovações, a esfera residencial foi escolhida
como foco do grupo.
Segundo relatório da Agência Nacional de Águas (ANA, 2012), o uso urbano de
água corresponde a cerca de 9% de toda água consumida no Brasil, estando atrás do
uso em irrigação (72%) e animal (11%), porém na frente da indústria (7%). Dentro
desse panorama, na região metropolitana de São Paulo, o consumo de água
residencial corresponde a 84,4% do consumo total urbano, incluindo o consumo em
pequenas indústrias (MARTINS, 2011). Desse modo, é de se considerar que, embora
não represente o consumo de maior peso para o país, o uso doméstico de água ainda
representa uma parcela significativa do balanço hídrico no país e sua redução é de
extrema importância na conservação dessa riqueza.
No âmbito residencial, os focos de desperdício de água estão distribuídos sobre
diversas subáreas, como na cozinha, na lavagem de carro e pisos, no vaso sanitário e
16
no chuveiro. O peso de cada uma dessas áreas varia conforme a condição
socioeconômica, cidade, número de moradores e outras particularidades da residência
analisada (MARTINS, 2011). A figura abaixo retrata a distribuição do consumo de água
no Brasil.
Gráfico 1 - Distribuição de consumo de água residencial no Brasil
Fonte:(CHAGURI JUNIOR, 2009)
Nota-se a predominância no cenário nacional do uso da bacia sanitária e do
chuveiro, respectivamente. No entanto, como o foco do projeto se restringirá ao estado
de São Paulo e a distribuição de consumo de água varia conforme condições
socioculturais e geográficos, um estudo especifico para a região torna-se relevante.
Sendo assim, o gráfico da distribuição de consumo para a cidade de São Paulo pode
ser visto no gráfico 2.
17
Gráfico 2 - Distribuição de consumo de água residencial em São Paulo
Fonte: (CHAGURI JUNIOR, 2009)
Nesse cenário, o uso do chuveiro representa o principal foco de consumo de
água residencial na cidade de São Paulo. A disparidade entre a distribuição do
município e do país pode ser explicada por diferenças dos aparelhos hidros sanitários
em relação ao volume de água consumido, do perfil do usuário, da geografia da região
e do sistema de aquecimento de água utilizados nas residências estudadas (CHAGURI
JUNIOR, 2009). Desse modo, a procura por uma solução que reduza o consumo de
água em chuveiros terá impacto direto sobre a quantidade de água consumida no nicho
residencial.
Diversas fontes de desperdício de água no banho foram elencadas buscando
uma otimização do consumo de água em chuveiros, como os períodos de
ensaboamento do usuário, vazamentos em canos e goteiras, deficiências no
aquecimento, não reutilização da água gasta, dentre outras possibilidades. Após
cuidadosa ponderação, optou-se por abordar como foco do trabalho a água
desperdiçada no início do banho de chuveiros a gás, perdida no intervalo de tempo em
que se espera que a água fria atinja sua temperatura ideal. A escolha desse problema
se justificou, em primeiro momento, pela percepção de que a espera referida se trata de
uma situação de desconforto para o usuário aliada ao desperdício de uma grande
quantidade de água. Sendo assim, supôs-se que haveria um desejo latente e uma
18
disposição por parte dos indivíduos detentores de chuveiros a gás em abraçar uma
solução que os desse conforto, ganhos ecológicos e econômicos. A validade dessa
suposição foi conferida por meio de um estudo de mercado, descrito na seção 3.2.
Em relação à análise da origem, constata-se que esta não é uma necessidade
declarada, mas real. Isso porque o cliente não afirma precisar do nosso produto
especificamente, mas de algo efetivo à economia de água.
Pela própria natureza do chuveiro a gás, o qual requer maior investimento para
instalação e utilização, os usuários que optam pela sua utilização têm como principal
objetivo obter maior conforto e prazer no banho. Sendo assim, o conforto do
consumidor é uma necessidade explícita a ser considerada, assim como a praticidade
do produto.
Além disso, é necessário que a solução seja financeiramente acessível ao
mercado consumidor alvo e apresente vantagens frente a outros produtos existentes no
mercado tanto na questão do preço, quanto no quesito de custos para o usuário, como
o consumo de energia e manutenção. No entanto, por ser uma solução que traz
benefícios ao meio ambiente, é sabido que há disposição do consumidor em pagar um
pouco mais caro pelo produto (LAGES, 2002), abrindo espaço para uma maior margem
de preço em relação ao estado atual do mercado.
Ainda referente ao mercado alvo prospectado, por conta de o dispositivo
planejado se tratar de uma inovação tecnológica, espera-se que este seja acessível e
de interesse às classes média e alta. No entanto, o alto nível de substituição de marcas
nesse mercado torna necessário que o produto execute sua função de modo eficiente e
confiável, de forma que os concorrentes não tenham a possibilidade imediata de lançar
uma versão melhorada.
3.2. Análise da pesquisa de mercado
A fim de se melhor traçar o perfil e as necessidades dos consumidores em
potencial do produto em questão, foi feita uma pesquisa de mercado por meio de
mídias sociais e em lojas de materiais de construção de grande porte localizadas na
cidade de São Paulo. A escolha dos locais de execução da pesquisa se dão pelos
19
seguintes motivos: no caso das mídias sociais, a facilidade de divulgação e coleta dos
dados e abrangência da amostra; no caso da loja de materiais, a possibilidade de
abordar um público focado em melhorias para casa e que se aproxime dos clientes em
potencial. A população da pesquisa se restringiu a residentes da Região Metropolitana
de São Paulo.
O questionário aplicado segue em anexo ao fim do projeto (ANEXO 2). A
metodologia aplicada segue a proposta por Chagas (2000) e Günther (1999), os quais
embasaram a formulação, formatação e sequenciamento das perguntas. Optou-se por
aplicar um questionário fechado, combinando variáveis quantitativas contínuas,
discretas e qualitativas ordinais. Conforme recomenda a bibliografia, fora também
realizado inicialmente um pré-teste da pesquisa, permitindo a sua correção e
aprimoramento.
A montagem de uma pesquisa quantitativa de mercado requer vasta capacidade
técnica e arcabouço estatístico para sua correta efetivação. As dificuldades em se
estabelecer uma amostragem representativa da população, em se formular perguntas
atendendo a critérios de objetividade e clareza e em se utilizar um campo apropriado de
aplicação do questionário certamente aumentarão a incerteza associada à pesquisa e
diminuirão o seu poder de retratar a realidade (CHAGAS, 2000). Desse modo, é de se
esperar que a pesquisa não represente de forma fiel a população dos usuários em
potencial do produto, mas, afim de se possibilitar a tomada de conclusões e decisões, a
representatividade será considerada próxima à real.
Os objetivos por trás da pesquisa de mercado são de responder às perguntas
enumeradas na lista que sucede.
● Perfil do usuário: Qual o perfil socioeconômico dos nossos usuários? A classe
social tem relação com o tipo de chuveiro do indivíduo? O perfil socioeconômico
escolhido previamente (classes média e alta) estão representadas na pesquisa
realizada?
● Características do chuveiro: Qual a forma de aquecimento da água na
residência? Como possuir um tipo de chuveiro diferente (exemplo: elétrico ou a
gás) influi na experiência do usuário no banho? Como é cobrada a conta de água
da residência?
20
● Aquecimento e Desperdício: O desperdício de água que ocorre no tempo de
aquecimento do chuveiro é considerado relevante pelos usuários? Quanto tempo
ele estimaria que demora para o aquecimento se estabelecer na sua forma
plena? Existe uma dificuldade em se manter a temperatura da água, uma vez ela
já atingida?
● Investimento e Retornos: Qual o tempo desejado de retorno do investimento? O
quão preocupado o usuário está com a crise hídrica?
A seguir, são expostos os principais resultados da pesquisa realizada, junto com
análises estatísticas que permitam tirar conclusões significativas sobre os dados
colhidos. Os softwares de tratamento de dados utilizados foram o Microsoft Excel e o
Minitab, o primeiro para simples análise de dados, o último para realização de testes de
hipótese. Os gráficos gerados por cada um dos softwares possuem formatação distinta,
o que resultará em uma variedade não intencional na aparência dos gráficos vistos a
seguir.
Um total de 108 pessoas responderam ao questionário. O indivíduo médio que
respondeu à pesquisa apresenta 23 anos de idade e renda familiar superior a dez
salários mínimos (Classes A e B). A maioria apresentou residência nas regiões Sul e
Oeste de São Paulo, sendo os cinco bairros mais comuns (totalizando 67% das
respostas), em ordem: Butantã, Pinheiros, Vila Mariana, Santo Amaro, Morumbi. Desse
modo, os principais reservatórios que atendem os inquiridos são o sistema Cantareira,
seguido da represa Guarapiranga.
„
21
Gráfico 3 - Frequência de tipos de chuveiro constatada pela pesquisa
Fonte: Próprio autor
O estudo da renda dos indivíduos está presente na Figura 4, que segue abaixo.
O gráfico escolhido para a análise foi o de colunas empilhadas. Esse método permite
uma avaliação tanto da distribuição de renda total dos usuários do estudo (comparação
da altura das colunas de cada faixa de renda), quanto da distribuição de cada tipo de
chuveiro dentro de uma faixa de renda (diferença na composição de cada coluna). A
análise da renda dos usuários permitiu determinar que a maioria dos entrevistados
(73,31%) pertencem às classes A e B (faixa de renda acima de 10 salários mínimos).
Além disso, torna-se visível que a maioria dos indivíduos de alta renda possuem
chuveiros a gás, enquanto o chuveiro elétrico predomina nas rendas mais baixas. Uma
análise comparativa mais aprofundada entre as rendas de usuários de chuveiros a gás
e elétrico será feita adiante no trabalho.
22
Gráfico 4 – Renda dos entrevistados por tipo de chuveiro segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
Como o escopo do produto a ser desenvolvido foca nos usuários de sistemas de
aquecimento a gás, torna-se relevante um estudo mais aprofundado de suas respostas
e a comparação destas com as de pessoas detentoras de outros sistemas de
aquecimento. A base comparativa tomada será o chuveiro elétrico, que será
estabelecido como hipótese de modelo de baixo desperdício de água no tempo de
aquecimento. Analisando os indivíduos que afirmaram possuir chuveiro com sistema de
aquecimento a gás, algumas particularidades do usuário tornaram-se notáveis.
A primeira característica analisada foi a renda familiar. Por meio de um teste de
hipóteses t-Student de duas variáveis, comparou-se a renda familiar dos indivíduos
portadores de chuveiro elétrico versus o aquecedor a gás. O objetivo do teste é analisar
a faixa de renda dos usuários de chuveiro a gás e avaliar se essa pode ser considerada
superior à renda dos usuários de chuveiro elétrico. O memorial de cálculo dos testes de
hipóteses realizados e a fundamentação teórica deles seguem em anexo no relatório
(ANEXO 3).
2,9% 5,8%
22,1% 22,1%
4,8%
1,0%
1,0%
4,8%
12,5%
12,5%
10,6%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
2 a 4 4 a 10 10 a 20 acima de 20
Per
cen
tual
de
Res
po
stas
Faixa de Renda (em salários mínimos)
Renda dos entrevistados vs Tipo de Chuveiro
chuveiro elétrico
aquecedor solar
aquecedor híbrido (ex: elétrico + gás)
aquecedor a gás
23
Gráfico 5 - Relação entre a renda familiar e o tipo de chuveiro segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
A pergunta realizada foi “A renda da sua família equivale a quantos salários
mínimos?”. Como o questionário apresentava faixas de renda, cada faixa foi
aproximada pelo seu ponto médio. A faixa máxima (acima de 20 salários mínimos) foi
estimada em 30 salários, baseando-se na pesquisa Datafolha (2013) que situa a
maioria dos indivíduos de classe A e B dentro da faixa de renda entre R$13.560 e
R$33.900. A renda média das famílias com aquecedor a gás foi de 19,75 (± 9,38)
salários mínimos, enquanto a de chuveiro elétrico foi de 15,02 (± 9,91). O teste
estatístico apresentou que, com intervalo de confiança de 95%, a renda das famílias
com aquecedor a gás pode ser considerada superior às de aquecimento elétrico.
Como a renda média dos indivíduos detentores de chuveiro a gás os situava
como pertencentes as classes A e B, torna-se interessante o estudo da distribuição dos
tipos de chuveiro especificamente para essa classe. Tal análise, presente na figura a
24
seguir, permite concluir que 60,3% dos indivíduos das classes A e B possuem chuveiro
a gás.
Gráfico 6 - Frequência de tipos de chuveiro em indivíduos da classe A e B segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
A segunda comparação realizada foi referente ao tempo percebido de
aquecimento da água. Perguntou-se aos entrevistados sobre qual faixa de tempo eles
estimavam que levava para o chuveiro começar a fornecer água em temperatura
aquecida. Os resultados para o chuveiro a gás e elétrico podem ser comparados a
seguir.
Assim como no passo anterior, cada faixa de tempo foi aproximada pelo seu
ponto médio. O tempo médio com aquecedor a gás foi de 0,97 (± 0,97) minuto,
enquanto o de chuveiro elétrico foi de 0,30 (± 0,15). A grande dimensão do erro no
tempo estimado dos aquecedores a gás pode ser explicada pela diversidade de fatores
que provocam o atraso referido, como distância do banheiro ao aquecedor, modelo do
aquecedor e natureza da tubulação. Como cada residência possui suas próprias
60,3%
6,6% 1,3%
31,8%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
aquecedor a gás aquecedor híbrido (ex:elétrico + gás)
aquecedor solar chuveiro elétrico
Pe
rce
ntu
al d
e R
esp
ost
as
Tipo de Chuveiro
Frequência de Tipos de Chuveiro em Indivíduos da Classe A e B
25
particularidades, era esperado uma grande variância entre as respostas dadas ao
chuveiro a gás. O baixo desvio e a brevidade no aquecimento identificados no chuveiro
elétrico corroboram a hipótese deste atuar como modelo satisfatório de esquentamento
ágil de água. Por fim, o teste t-Student confirmou que, com intervalo de confiança de
95%, o tempo percebido de aquecimento a gás pode ser considerada superior às de
aquecimento elétrico.
Gráfico 7 - Tempo percebido para aquecimento por tipo de chuveiro segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
A próxima análise busca assessorar caso há uma percepção de desperdício
relevante de água no tempo que o chuveiro leva para. Diferentemente da pesquisa
sobre tempo de desperdício, a qual visava fornecer um dado quantitativo sobre a
natureza do problema (número de minutos e, por conseguinte, litros desaproveitados), a
da percepção de desperdício relevante tem como objetivo fornecer um dado qualitativo,
ou seja, se o usuário enxerga uma necessidade de redução daquele tempo. A
comparação entre os chuveiros elétricos e a gás pode ser vista a seguir.
26
Gráfico 8 - Percepção de desperdício de água de acordo com o tipo de chuveiro segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
O teste foi feito a partir da pergunta “Você sente que há um desperdício
relevante de água no tempo que o chuveiro leva para aquecer? ”. A questão proposta
tem como respostas possíveis “Sim” e “Não”, apresentando-se como uma pergunta
binária e possibilitando a interpretação da resposta positiva como “1” e a negativa como
“0". A média de respostas que identificaram um desperdício relevante para o aquecedor
a gás foi de 78,9%, enquanto a mesma resposta para o chuveiro elétrico foi 34,1%. A
partir de um teste de hipóteses t-Student, com intervalo de confiança de 95%, a
hipótese de que a percepção de desperdício no aquecimento a gás é maior à
percepção no elétrico pode ser considerada verdadeira. Esse resultado indica que há
uma consciência por parte da população de que há um desperdício a ser evitado no
início do banho, contribuindo para a fundamentação da necessidade que deseja-se
avaliar.
27
O próximo passo é avaliar o tempo esperado de retorno do investimento dos respondentes. A pesquisa
foi feita apresentando diferentes faixas de tempo e perguntando em qual delas o indivíduo esperava obter
um retorno para o investimento feito no chuveiro, partindo do pressuposto de que a economia de água
levaria a ganhos econômicos. Como se almeja saber especificamente os resultados do chuveiro a gás,
focaremos nas respostas desse modal.
Gráfico 9 - Tempo esperado de retorno de investimento segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
Uma análise inicial indica que aproximadamente 33% dos consumidores aceitam
aguardar mais de doze meses pelo retorno do seu investimento inicial, o que se
mostrou como a opção preferida pelos inquiridos. No entanto, buscando um resultado
que melhor embase a tomada de decisões, optou-se por determinar a faixa de tempo
acima da qual a maioria absoluta (50%) dos usuários aceita obter o retorno pelos seus
investimentos. Os resultados indicam que 63,1% dos entrevistados aceitam um produto
com retorno igual ou superior a nove meses. Como resultados estatísticos possuem um
alto nível de imprecisão, é realizado um teste estatístico para determinar se há
confiabilidade em afirmar que mais de 50% dos usuários aceitam um retorno acima de
5,3%
14,0%
17,5%
29,8%
33,3%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
3 meses 3 a 6 meses 6 a 9 meses 9 a 12 meses mais de 12 meses
Pe
rce
ntu
al d
e R
esp
ost
as
Faixas de Tempo de Retorno
Tempo Esperado de Retorno de Investimento (Aquecedor a Gás)
28
nove meses. O teste de hipótese de proporção (supondo uma amostra populacional
com distribuição próxima à de Bernoulli) indicou que a hipótese é válida com 95% de
confiança, sendo possível afirmar nesse nível de certeza que a proporção de pessoas
dispostas a esperar mais de nove meses é superior a 51,43%.
O resultado final da pesquisa de tempo esperado de retorno do investimento
indica que a maioria absoluta dos usuários espera um retorno financeiro dos seus
investimentos em um intervalo de tempo superior a nove meses, e que uma grande
porção dessa faixa de usuários também aceita em um intervalo de tempo superior a
doze meses. É importante frisar que essa análise foca no produto sob uma ótica
estritamente econômica, sendo que no decorrer do processo haverá outros retornos ao
usuário, como nos âmbitos ambiental e de conforto. A depender do enfoque dado na
venda do produto, é de se supor que há margem para flexibilização do tempo em que o
produto deva se pagar.
A próxima análise foi em relação a preocupação com a falta de água. Deseja-se
saber, inicialmente, a preocupação geral dos respondentes com a falta de água,
seguida de uma comparação para ver se há diferença estatística entre os usuários de
chuveiro a gás e elétrico.
Gráfico 10 - Preocupação com a crise hídrica por tipo de chuveiro do usuário segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
29
O gráfico mostra a distribuição do nível de preocupação com a crise hídrica por
tipo de chuveiro por meio de barras empilhadas. A pergunta realizada no questionário
fora “De 1 a 5, o quanto você se preocupa com a escassez de água? ”, sendo que “1”
representava muito pouco preocupado e “5” representava muito preocupado. A média
do resultado ficou em “3,9”, o que se aproxima da moda de “4” e indica que há uma alta
preocupação entre os usuários com a possibilidade de escassez de água.
Gráfico 11 - Preocupação com a falta de água por tipo de chuveiro do usuário segundo a pesquisa
Fonte: Próprio Autor
A comparação entre os chuveiros elétrico e a gás demonstra que os usuários de
ambos sistemas de aquecimento possuem preocupação semelhante com a falta de
água. De fato, o chuveiro elétrico apontou um resultado médio de 3,8 (± 1,0), enquanto
o a gás apresentou nota 3,9 (± 1,1), diferença a qual foi considerada desprezível por
meio de um teste de hipótese t-Student com 95% de confiança. Sendo assim, é
30
possível concluir que o mercado apresenta uma preocupação alta para muito alta com
relação à possibilidade de desabastecimento de água.
A análise seguinte busca saber como é a forma de cobrança de água na
residência. O pagamento da conta de água em imóveis, principalmente em
apartamentos, segue duas lógicas possíveis: individual, em que o residente paga sua
própria conta de água; ou coletivo, em que a conta do edifício é rateada igualmente
entre os moradores e o pagamento já é incluso na taxa de condomínio,
independentemente do consumo individual. O modelo de cobrança individual predomina
em casas, enquanto o hidrômetro coletivo predomina em apartamentos, mas tem
apresentado uma tendência de migração para o individualizado por estimular maior
consumo de água diante de um cenário de crise hídrica (fonte: G1). O resultado da
pesquisa de forma de cobrança de água para os usuários de chuveiro a gás é visto a
seguir.
Gráfico 12 - Forma de cobrança de água para usuários de aquecedor a gás de acordo com a pesquisa
Fonte: Próprio autor
As respostas da pergunta indicam que a maioria dos usuários paga a conta de
água de forma coletiva, mas que uma parcela significativa também o faz de forma
individual. De fato, um teste de hipótese de proporção de uma amostra indica que, com
31
intervalo de confiança de 95%, é possível afirmar que entre 28% e 55% dos indivíduos
com chuveiro a gás possuem cobrança individual de água. Essa informação tem
impacto direto na população que o produto pode atingir, pois supõe-se que um
consumidor estará mais disposto a comprar um produto se isso produzir uma economia
direta na sua conta de água. Sendo assim, esse resultado será levado em conta na
hora de definição da fatia de mercado do produto e na hora de se estimar sua produção
mensal.
A última análise realizada se refere à dificuldade do usuário em fazer o ajuste
fino da temperatura da água. A pergunta realizada em questionário foi “Quão difícil é (1
a 5) atingir e manter a temperatura ideal da água no banho? ”, sendo o valor “1” tido
como muito fácil e “5” como muito difícil. A pergunta em questão teve como objetivo
determinar caso o produto deveria contar com a funcionalidade de ajuste da
temperatura da água durante o banho.
Gráfico 13 - Dificuldade de atingir a temperatura ideal do banho de acordo com o tipo de chuveiro
segundo a pesquisa
Fonte: Próprio autor
32
O resultado da análise indicou que ambos chuveiros a gás e elétrico
apresentaram nível fácil de dificuldade em se atingir e manter a temperatura ideal do
banho, com médias de 2,35 (± 1,0) e 2,25 (± 1,1), respectivamente. Um teste de
hipótese t-Student indiciou, com 95% de confiança, que não há diferença estatística
entre a dificuldade para os dois tipos de chuveiros. Sendo assim, os resultados indicam
que não há a necessidade de se incluir uma funcionalidade que realize um ajuste fino
da temperatura do banho.
Por fim, resume-se as principais conclusões sobre os usuários de chuveiro a gás
derivadas da pesquisa de mercado. Os usuários são em maioria pertencentes às
classes A e B, e possuem renda familiar superior ao chuveiro elétrico. O tempo
percebido de aquecimento da água é de 57 segundos, sendo considerado um
desperdício relevante pelos usuários e cuja percepção é superior à dos detentores de
chuveiro elétrico. O tempo esperado de retorno do investimento pela maioria absoluta
dos entrevistados é superior a nove meses. Há uma alta preocupação dos indivíduos
com a crise hídrica, além de ligeira predominância da cobrança coletiva da água e
dificuldade pequena em se manter a temperatura ideal no banho. Essas conclusões
serão utilizadas em todo o decorrer do trabalho e embasarão as decisões e escolhas
que estarão por vir.
3.3. Determinação do mercado alvo
A partir das conclusões obtidas através da pesquisa de mercado e da definição
da necessidade, tornou-se possível delinear o mercado alvo do produto a ser
desenvolvido.
A primeira característica do mercado vem do escopo do próprio produto: os
usuários dos produtos têm de possuir um sistema de aquecimento a gás para banho.
Da pesquisa de mercado, concluiu-se que os chuveiros aquecidos a gás são
predominantemente utilizados pelas classes A e B. Percebeu-se, também, que há
nesse grupo uma alta preocupação coma crise hídrica e uma alta percepção do
desperdício de água envolvido no aquecimento a gás. Para melhor aproveitar essa
33
preocupação, haverá como foco regiões em estresse hídrico, como as áreas
abastecidas pelo Sistema Cantareira e Alto Tietê.
Com os dados e estatísticas adquiridos nestas pesquisas, o projeto segue um
apelo mais ecológico e de consciência social. Vale observar que se delimitou uma
região de atuação (estado de São Paulo), para que se possa adentrar o mercado com
maior flexibilidade e atenção às necessidades da demanda.
Em suma, o mercado alvo foi definido como residentes do estado de São Paulo
de classes A e B que possuam chuveiros com sistema de aquecimento a gás,
preferencialmente residentes em áreas abastecidas pelo Sistema Cantareira e Alto
Tietê. O enfoque dado ao mercado dos benefícios trazidos pelo produto será, em ordem
de prioridade: ambiental, conforto e econômico.
3.4. Determinação do preço
Para determinar o valor pelo qual o produto deve ser vendido no mercado,
primeiramente foram pesquisados uma série de dados que seriam usados no cálculo,
conforme mostrado na tabela 1.
Utilizando o dado de que o consumo médio de água por dia per capita é de 200L,
e considerando que o consumo é maior entre as famílias de classe A e B, é possível
estimar que uma família de 4 pessoas dessa classe social consome mais de 20m³ de
água por mês. Portanto, o impacto da água economizada na conta paga pela família
será de R$7,00/m³.
Tomando o dado obtido pela pesquisa de mercado descrita na seção 3.2de que
o intervalo médio entre o acionamento do chuveiro e aquecimento da água é 57
segundos e sabendo que a vazão média de um chuveiro com aquecimento a gás é de
8,7 L/min, é possível determinar que o produto economizaria cerca de 8,3L de água por
banho. Considerando que os brasileiros tomam em média 2,8 banhos por dia, essa
economia equivale a 694 L de água por mês. Ainda, fazendo uso das tarifas de água e
esgoto da Sabesp no município de São Paulo e sabendo que além do consumo de
água também é cobrado o serviço de esgoto, representado por 80% ou 100% da água
34
consumida, dependendo da região de São Paulo, é possível afirmar que o dispositivo
geraria uma economia mensal de, ao menos, R$ 8,70 per capita.
Na pesquisa de mercado realizada, constatou-se que o mercado alvo aceita, em
sua maioria, um tempo de retorno superior a nove meses. No entanto, tomando-se
como
Tabela 1 - Determinação do preço do produto
Dado Valor
Preço do litro de água e
esgoto
11 a 20 m³: R$2,80/m³
21 a 50 m³: R$7,00/m³
Cobrança de Esgoto O serviço de esgotos é cobrado
aplicando-se o percentual de 80
ou 100%, dependendo da
região, proporcionalmente ao
valor da água
Vazão média de um chuveiro
com aquecimento a gás
8,7 L/min
Intervalo de tempo que
demora para aquecer a água
57 segundos
Média de banhos por dia 2,8 (no Brasil)
Consumo médio de água de
residentes de apartamentos
por dia per capta
200L
Fonte: Próprio autor
premissa que a venda do dispositivo não terá um apelo meramente econômico, mas
também pela consciência ecológica e pelo conforto do usuário, o tempo de retorno do
investimento estabelecido para o produto em questão foi de doze meses.
35
Desse modo, multiplicando-se o retorno per capita mensal do produto pelo tempo
de retorno do investimento, obteve-se como preço o valor de R$105,00. Como estima-
se que o tempo de vida do produto (o qual será abordado na seção 3.4.) seja superior
ao tempo de retorno do investimento, é de se supor que, mesmo variando algumas das
premissas que embasaram a determinação do preço, a utilização do produto gerará um
lucro ao usuário ao longo de sua vida útil.
3.5. Determinação da produção
Segundo pesquisa da Faculdade Getúlio Vargas (NERI, 2010), as classes A e B
compõem 27,13% da população do município de São Paulo, cuja população total era de
11,32 milhões de habitantes em 2011. Baseando-se na pesquisa de mercado realizada
na seção 3.2, estima-se que 60,3% dessa parcela da população usa chuveiro com
aquecimento a gás. Dessa forma, podemos chegar ao mercado consumidor das
soluções propostas, composto de 1,86 milhão de pessoas.
Ao estipularmos uma meta de alcançar uma dada porcentagem do mercado com
o produto em desenvolvimento e tendo em posse a durabilidade pretendida para o
produto, é possível planejar sua produção mensal. Estabelecendo uma meta de
alcançar 10% do mercado e um produto de durabilidade de 8 anos, como exposto
abaixo, temos:
Usuários de chuveiro a gás da classe A e B em São Paulo: 0,2713 X 0,603 X 11,32
milhões = 1,86 milhão
Quantidade de clientes que queremos atingir: 0,1 X 1,86 milhão = 0,186 milhão
Como se quer saturar o mercado logo antes do começo da falha dos produtos,
determina-se quantas unidades devem ser produzidas por mês para que o mercado
seja saturado no tempo referente à durabilidade do produto:
8 anos = 96 meses
0,186 milhão / 96 meses = 19375 unidades/mês
36
Dessa forma, a produção dever ser aproximadamente 1900 unidades por mês.
37
3.6. Especificação técnica da necessidade:
3.6.1. Método de formulação de características
Entradas Desejáveis:
- Comando do usuário;
- Mínimo de energia para aquecimento d‟água.
Saídas Desejáveis:
- Água à temperatura e vazão ideais para o consumidor.
Entradas não-desejáveis:
- Comandos inadequados.
Saídas não-desejáveis:
- Ruído;
- Vibração;
- Choque elétrico;
- Vazamento;
- Superaquecimento;
- Água à temperatura inadequada.
3.6.2. Especificação técnica
Funcionais:
- Desempenho
- Potência instantânea máxima 1800W; (Memorial de Cálculo)
- Temperatura máxima de operação de 45°C (Respeitando a Norma ABNT
NBR 8130 - 2004, que indica que a temperatura da água de trabalho deve
ser no máximo 55°C acima da temperatura de entrada da água que
abastece o aquecedor); (memorial de cálculo)
- Economia mínima de 4L por banho.
38
- Conforto
- Precisão na regulagem da temperatura de 1º C;
- Vazão mínima do chuveiro de 8,7 L/min, pois essa é a vazão média atual
de chuveiros a gás, como será visto adiante e não é interessante diminuí-
la;
- Intervalo de tempo entre acionamento do chuveiro e início da saída de
água de no máximo duas vezes o intervalo de tempo que a água
demorava para esquentar antes da instalação do dispositivo.
- Segurança
- Baixo risco do dispositivo (ou parte dele) cair;
- Desligamento automático em caso de superaquecimento;
- Baixo risco de choque elétrico.
- Transporte:
- Dispositivo deve caber em uma embalagem retangular de 0,5 m³;
- Peso máximo de 6kg.
Operacionais:
- Voltagem: Operável sem eletricidade ou bivolt;
- Durabilidade: A vida útil dos componentes de no mínimo 8 (oito) anos;
- Confiabilidade: Como o equipamento trabalhará em um ambiente com uma certa
variação de temperatura diária e também com bastante umidade, é interessante
trabalhar com um coeficiente de segurança ao analisar a vida útil dos
componentes. Portanto, nenhuma falha que cesse a operação nos primeiros 3
(três) anos. Logo, o produto terá garantia de três anos.
Construtivas:
- Peso máximo: 5kg;
- Material: Policloreto de vinila (PVC), Policloreto de Vinila Clorado (CPVC) ou
Polipropileno Copolímero Random Tipo 3 (PPR);
- Dimensões máximas: 300 X 300 X 600mm.
39
4. Desenvolvimento de alternativas
Foram desenvolvidas oito soluções com o objetivo de evitar o desperdício de
água no início do banho devido à temperatura vigente. No entanto, metade das opções
foram descartadas em uma análise geral comparativa. Dessa forma, houve
aprofundamento analítico em quatro soluções, enquanto as outras quatro foram apenas
registradas no apêndice com suas devidas justificativas para descarte.
4.1. Solução A: Saída do chuveiro com reservatório externo
Descrição:
O mecanismo é instalado de forma que a partir da saída do chuveiro o fluxo de
água possa ser desviado até um reservatório localizado acima do vaso sanitário. Há
acoplado um sensor térmico antes da saída de água para o usuário, assim, enquanto a
agua não atingir uma temperatura desejável, uma válvula desvia o fluxo para o
reservatório e a saída do chuveiro permanece fechada. Dessa forma, quando a
temperatura necessária é atingida, o mecanismo é acionado: a saída para o
reservatório é fechada e a saída para o chuveiro é aberta.
Análise:
O vaso sanitário é abastecido pelo reservatório que tem duas entradas de água:
uma provinda do chuveiro e outra do encanamento comum da casa (será utilizado o
mesmo encanamento que antes abastecia diretamente o vaso sanitário). Esse
reservatório será grande o suficiente para armazenar a água que seria desperdiçada
por, no mínimo, 25 banhos e consequentemente será suficiente para fornecer água a
18 descargas. Sendo assim, além de o usuário iniciar seu banho na temperatura
desejada, não há o desperdício de água, uma vez que há reutilização por meio do vaso
40
sanitário, outro produto que demanda grande quantidade de água. No caso da água
economizada
Fonte: Próprio autor
no reservatório não ser suficiente para a descarga, o encanamento original será
utilizado para tal.
4.2. Solução B: reservatório proximal acoplado com mistura de água
Definição:
Antes da saída do chuveiro, um reservatório é acoplado à tubulação pré-
instalada da residência. Um sensor térmico mede a temperatura da água no
reservatório, de modo que, enquanto a água não atingir a temperatura ideal, a válvula
de saída do cano não liberará a saída do fluxo para o usuário, permitindo que a água
Figura 1 - Esboço da solução A
41
fria presente no cano se misture à quente que sairá do aquecedor. Quando a
temperatura da água for a ideal, a válvula abrirá e permitirá a saída para o usuário.
Análise:
Esta solução cumpre, de forma relativamente simples, o objetivo de não deixar
sair o fluxo de água antes da temperatura ideal ser atingida. No âmbito das
desvantagens, ressalta-se a utilização de um reservatório que contemple o acúmulo de
grande quantidade de água durante a troca de calor, um sensor térmico e uma válvula.
Dessa forma, estima-se que seja uma das soluções mais caras em termos de materiais
para produção. Por outro lado, há pouco gasto energético em geral e, por ser bastante
sintética, a probabilidade de ser falha é baixa levando em consideração que o cálculo
para o tamanho do reservatório seja bem estimado (incluindo o coeficiente de
segurança).
Figura 2 - Esboço da solução B
Fonte: Próprio autor
42
4.3. Solução C: reservatório proximal com micro aquecimento
constante
Definição:
Analogamente à solução (B), um reservatório é acoplado à tubulação anterior à
saída do chuveiro, de modo que uma válvula libere a água desse reservatório para o
usuário apenas quando esta estiver na temperatura requisitada. O que difere esta
solução é o implemento de uma pequena resistência ligada em tempo integral que
mantém certa quantidade de água aquecida. Quando o chuveiro é solicitado pelo
usuário, o reservatório começa a encher e há troca de calor até que, através de um
sensor térmico, a temperatura seja alcançada e a válvula aberta assim como na solução
(B).
Fonte: Próprio autor
Figura 3 - Esboço da solução C
43
Análise:
Devido à semelhança com a solução (B), a análise foi feita majoritariamente de
forma comparativa. A resistência garante que a temperatura da água parada no
reservatório seja relativamente alta, de forma que ao iniciar a mistura d‟água
(acionamento do chuveiro), a temperatura ideal seja atingida em um tempo menor. Isso
possibilitará maior conforto ao usuário e uso de um reservatório menor, ou seja, o peso
do dispositivo será diminuído. Além disso, há a possibilidade de o sensor térmico não
ser necessário, uma vez que sejam feitos cálculos termodinâmicos e eletrônicos a fim
de estimar o tempo necessário para a válvula ser aberta, sendo instalado no lugar um
temporizador. No entanto, há o risco de a resistência queimar sem a ciência do usuário
e causar danos, como o vazamento de água, apesar de ter sido considerada a
durabilidade das resistências em chuveiros elétricos. Quanto ao custo, deve-se fazer
um balanço levando em consideração a comparação entre o preço de um sensor
térmico e de um temporizador. Além disso, considerar que devido à resistência
acoplada há maior gasto energético e, através do preço dos materiais, contabilizar qual
a vantagem econômica real em se diminuir o tamanho do reservatório.
4.4. Solução D: aquecimento elétrico de passagem
Definição:
Anteriormente à saída do chuveiro, um aquecedor elétrico de passagem é acoplado à
tubulação. Dessa forma, uma resistência de alta potência provê o aquecimento
instantâneo da água sem a necessidade de um reservatório. Um sensor térmico mede a
temperatura da água na entrada vinda do aquecedor: caso a água não esteja aquecida
à temperatura estabelecida pelo usuário, o aquecedor se mantém em funcionamento.
Quando a temperatura for atingida, o sensor desliga o aquecedor elétrico e o banho
prossegue com o aquecimento exclusivamente a gás.
44
Figura 4 - Esboço da solução D
Fonte: Próprio autor
Análise:
Comparativamente, ao invés de reservatório e sistema de acionamento de
válvula, há nesse protótipo um aquecedor elétrico de passagem. Dessa forma, deve ser
feito um balanço ecológico e econômico a fim de analisar, dentre essas duas opções de
sistema, quais materiais e métodos de produção tem menor custo e são menos
prejudiciais ao meio ambiente. Quanto ao uso do aquecedor, foi considerado o gasto
energético mais elevado e a possibilidade de o sensor térmico falhar, resultando em
sobreaquecimento da tubulação, risco de danos e acidentes. Considerando risco e
custo, cogita-se a retirada do sensor térmico desse dispositivo. Analogamente à
solução (C), o sensor será substituído por um temporizador devido a cálculos
termodinâmicos e elétricos cujo resultado é o tempo necessário de funcionamento do
aquecedor para que a água atinja a temperatura requisitada pelo usuário. Ressalta-se,
assim como em (C), que esta substituição é cogitada apenas se o temporizador for mais
confiável e barato que o sensor térmico.
45
Tabela 2 - Índice de elaboração de alternativas utilizado
Funções Solução A Solução B Solução C Solução D
I -
Reservatório
1- Destino
da água
armazenada
Vaso
Sanitário
Chuveiro Chuveiro Não há
reservatório
2-
Localização
Externo Interno Interno Não há
reservatório
II - Aquecimento da água Não há
aqueciment
o
Por
mistura
com água
quente
vinda do
aquecedor
a gás
Por
resistência
elétrica
Por
resistência
elétrica
5. Análises
5.1. Análise técnica
A análise de aspectos técnicos se faz necessária para garantir a coerência física
das soluções levantadas e, ainda, analisar a escolha de materiais e métodos.
5.1.1. Saída do chuveiro com reservatório externo
Materiais:
O material escolhido para o reservatório de água fria e para os canos que levam
essa água da tubulação original do chuveiro para o reservatório é o PVC branco,
46
material usualmente empregado em tubulações de água fria. Esse material apresenta
uma boa durabilidade e um baixo preço, sendo assim o mais adequado.
Outra característica que torna esse material atrativo é sua grande presença no
mercado. Isso possibilita encontrar diversos comprimentos de tubulações à venda,
necessários na montagem do dispositivo que deve se adequar a banheiros residenciais
de diferentes dimensões. Facilmente, também são encontrados acessórios como as
válvulas necessárias para controle do fluxo entre chuveiro e reservatório e entre o
reservatório e a descarga.
Além do material que irá compor o reservatório, a solução utiliza um sensor de
temperatura e uma unidade processadora, o que controlará a abertura de válvulas
solenoide por meio de motor embutido
Para a válvula, foram consultados modelos no mercado que atendam às
necessidades dos dispositivos. Tais componentes são bem simples e facilmente
encontrados no mercado de construção. A primeira solução, em especial, precisa de
duas válvulas.
Em um primeiro momento, são levados em conta para análise os sensores e
motores mais comumente encontrados no mercado, como o sensor LM35 e uma válvula
solenoide U119. Quanto a unidade processadora, é necessário o desenvolvimento de
um circuito para a função de analisar os dados de temperatura de forma a acionar a
válvula no momento correto. Novamente, usando os modelos de processadores mais
comuns no mercado, optou-se por um modelo de Arduíno para realizar as análises
concernentes ao estudo de viabilidade. Vale a pena comentar que o produto final
deverá possuir um circuito específico para a função da análise de temperatura mais
barato do que a placa Arduíno.
Por último, são necessários alguns elementos de fixação, como cantoneiras,
parafusos e buchas. Todos esses elementos são facilmente encontrados à venda, a
baixo custo.
47
Exequibilidade física:
A preocupação no funcionamento deste produto pode ser subdivida em duas
áreas. A primeira baseada na energia necessária para transportar a água que está
chegando no chuveiro para o reservatório e a segunda com respeito ao controle das
válvulas presentes.
Em respeito à primeira preocupação, a equação de Bernoulli com perda de carga
distribuída, que é utilizada para escoamento permanente, em uma mesma linha de
corrente e para fluidos incompressíveis é dada por
onde P é a pressão, V a velocidade, ρ a massa específica, γ o peso específico, z a
altura do ponto e hl a perda de carga distribuída. Considerando que o local de
armazenamento da água é aproximadamente na mesma altura do chuveiro, pode-se
aproximar a variação da energia potencial a zero. Como o diâmetro do tubo é constante
e a água pode ser considerada como incompressível, a velocidade nos dois pontos
também seria a mesma, e a perda de carga para escoamentos turbulentos (memorial
de cálculo) édada por
,
onde l é o comprimento da tubulação, f é o fator de atrito, D o diâmetro do tubo e g a
gravidade. Assim, Bernoulli fica reduzida a
.
No caso limite em que P2 seja 0 (pressão relativa), teremos que
sendolmáx comprimento máximo permitido entre o chuveiro e o reservatório acima do
vaso sanitário. Para encontrar o valor de l, precisa-se ainda do fator de atrito f, que para
escoamentos turbulentos é dado pela equação Colebrook
√
√
onde ε/D é a rugosidade equivalente do material e Re é o número de Reynolds do
escoamento.
48
Substituindo para valores médios de uma distribuição de água residencial,
encontra-se um l suficientemente grande, o que garante com uma boa margem de
segurança, que a água chegue no local desejado(memorial de cálculo).
Com respeito ao controle das válvulas, elas são facilmente ajustadas com
transmissores localizados nos sensores de temperatura. Ao atingir a temperatura ideal,
eles enviam sinais que irão fechar a válvula de abastecimento do reservatório e liberar
a válvula regular do chuveiro, iniciando o banho. O oposto acontece quando a
temperatura da água for abaixo do escolhido.
5.1.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água
Materiais:
O material do reservatório em que corre a mistura de água precisa ser próprio
para comportar líquidos a temperaturas maiores, sem sofrer corrosão, decomposição ou
qualquer outro dano nessas condições. O Policloreto de Vinila Clorado (CPVC) é o
material aparentemente mais adequado, sendo amplamente usado em tubulações de
água quente. No entanto, essa categoria de plásticos tem sido cada vez mais criticada
pelo seu impacto ambiental e na saúde, tendo sido incentivado a sua substituição na
Europa e nos Estado Unidos [A]. Por isso, o material escolhido foi o Polipropileno
Copolímero Random (PPR), um plástico muito usado em tubulações de água quente e
com preço próximo ao CPVC.
Novamente são necessários os elementos de fixação e o sistema de abertura da
válvula (sensor térmico, válvula solenoide e unidade de processamento), além da
válvula em si.
Exequibilidade física:
A funcionalidade física desse mecanismo pode ser provada utilizando conceitos
de termodinâmica para a conservação da energia e da massa em volumes de controle.
A equação é dada por (Wylen, 2013)
49
∑
∑
onde o prefixo “e” indica as características da água que entram no volume de controle,
“s” das que saem, “1” é o estado inicial da água do reservatório antes do início do
processo e “2” seria o estado instantaneamente antes da abertura da válvula para
disponibilizá-la ao usuário. Além disso, u indica a energia interna, V a velocidade, gz a
energia potencial por unidade mássica, h a entalpia, Q o calor transferido no processo e
W o trabalho realizado ou recebido.
Considerando também que o volume de controle seja o reservatório, não haverá
trabalho entre o volume de controle e o meio, podemos aproximar o volume de controle
como adiabático e não há massa de água saindo (enquanto a válvula do banho estiver
fechada), mas apenas um fluxo de entrada, além de podermos desconsiderar a
variação da energia cinética e potencial no processo, a equação fica reduzida à
,
que seria o equacionamento do aquecimento. Caso queira trabalhar com os valores de
vazão, basta apenas derivar a equação em relação ao tempo e tomar cuidado com os
termos não variáveis. Reorganizando a equação e sabendo que m2=m1+me, podemos
encontrar o valor de me por
.
Sabe-se o valor de u2 (dado pela temperatura desejada pelo usuário), de u1 (dado pela
temperatura inicial da água, que seria no mínimo a ambiente) e de m1 (restante da água
que permaneceu no reservatório dos banhos anteriores). O valor de m1 será sempre o
mesmo independente de quantos banhos forem realizados, pois a pressão devido ao
volume de água que chega do aquecedor será, se desconsiderarmos a variação da
pressão devido à temperatura, também constante. Assim, para encontrar um me que
não ocupe todo o volume do reservatório disponível, precisamos apenas de uma
entalpia de entrada (relacionada com a temperatura) um pouco maior do que a energia
interna desejada. Por exemplo, caso o usuário deseje uma temperatura de saída de 40
℃, com um reservatório que já possua 10l de água a 20℃, é preciso 40l de água a 45℃ para
50
atingir o valor desejado, o que deixaria nosso reservatório (300 x 300 x 600 mm)máx com 4l de
volume vazio (memorial de cálculo). Um valor seguro, além de demonstrar que a
temperatura de entrada não precisa ser tão diferente da desejada. É possível trabalhar
com temperaturas de entrada ainda maiores e aumentar o volume vazio disponível, o
que é totalmente praticável.
A precisão da temperatura pode ser facilmente alcançada com sensores térmicos
disponíveis no mercado. É possível alcançar precisões de 0,1℃, menores do que o
próprio corpo humano é capaz de sentir.Sendo acionada, a válvula de abertura do fluxo de água
para o banho abrirá quando o sensor de temperatura enviar um impulso indicando o alcance da
temperatura desejável.
5.1.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante
Materiais:
O material do reservatório, pelos mesmos motivos mencionados para a solução
1.4.2, seria o PPR. O diferencial dessa solução é a presença de uma micro resistência
ligada continuamente para manter a água a uma temperatura mais próxima da ideal.
Essa resistência seria dimensionada para uma temperatura alguns graus acima da
ambiente, havendo diversas opções disponíveis no mercado a baixíssimo custo.
Além disso, também estão presentes os elementos de fixação, uma válvula e o
sistema de controle da válvula, composta de uma válvula solenoide, uma unidade
processadora e um sensor térmico.
Exequibilidade física:
Nessa solução, o equacionamento é muito semelhante ao realizado na solução
anterior, com apenas uma diferença: a presença de calor transferida do meio
(resistência) para a água, fazendo com que a equação já trabalhada no item 1.4.2 se
transforme em
,
e assim:
51
.
Devemos considerar a resistência fora do volume de controle. Como Q é positivo
quando transferido para o sistema, percebe-se que a água atingirá a temperatura
desejada mais rapidamente se comparada à solução acima, o que implica em ou um
maior volume vazio do reservatório (garantindo uma segurança para o volume máximo
do compartimento), ou até mesmo uma mesma temperatura entre a água que chega do
aquecedor e a desejada pelo o usuário. O ponto negativo é ressaltado na necessidade
de energia elétrica, implicando em um maior gasto econômico.
A potência que será fornecida para a água de forma contínua pela a resistência
pode ser calculada através da seguinte fórmula
para a qual P é a potência dada em Watts, U é a diferença de potencial entre os
terminais da resistência e i a corrente que passa através dela. A energia em Joules
pode ser obtida multiplicando essa potência pelo o intervalo de tempo de trabalho total.
Cálculos para confirmar a funcionalidade do dispositivo não são necessários,
pois o equacionamento já deixa evidente a operação.
5.1.4. Aquecimento elétrico de passagem
Materiais:
Os únicos materiais necessários para essa solução são a resistência de alta
potência, como as encontradas em chuveiros elétricos, junto de um sistema de controle
(composto pelo sensor de temperatura e uma unidade de processamento ligada à
resistência) e um pequeno conduto em que ela seja colocada. O conduto deve resistir
às condições de temperatura elevada da água, assim também é feito de PPR como na
solução anterior.
52
Exequibilidade física:
A ideia dessa solução se baseia na utilização do método de aquecimento do
chuveiro elétrico apenas para a água que já se encontra no cano a uma temperatura
indesejável antes do banho. Ela funcionará em duas etapas:
Na primeira, a água será aquecida à temperatura selecionada pelo o usuário de
forma quase instantânea através do efeito Joule entre a resistência e a água,
semelhante a um chuveiro elétrico. A resistência disponibilizará uma potência de valor
numérico igual a onde os significados de cada incógnita são os mesmos do
item 1.4.3. Sendo essa potência de valor extremamente elevado, o tempo de
aquecimento é bem pequeno, pois sabe-se que a energia necessária para aquecer um
certo volume de água pode ser dada pela multiplicação da potência pelo tempo
.
Considerando o volume de controle como a água que já se encontra na tubulação (com
a resistência fora desse volume de controle), regime permanente, apenas um fluxo de
entrada e outro de saída de massa, não havendo trabalho sendo realizado sobre ou
pelo volume de controle e desconsiderando as variações de energia potencial e
cinética, temos:
(Wylen, 2013)
onde a barra localizada nas incógnitas significa a derivada em relação ao tempo dos
valores. Os subscritos e significados de cada incógnita possuem as mesmas
referências das soluções anteriores. Pela conservação da vazão mássica, teremos
também que = = , logo:
,
o que nos dá o valor da temperatura (entalpia está diretamente relacionada ao valor da
temperatura da substância) de saída da água em função da potência da resistência
elétrica, da vazão mássica do chuveiro e da temperatura de entrada. Essa etapa da
solução, funcionará até he atingir o mesmo valor de hs. A partir do momento em que o
aquecedor a gás já está funcionando em sua operação nominal, a resistência não é
53
mais necessária e parte-se para a etapa dois, que é o funcionamento normal de um
chuveiro de aquecimento a gás.
Os cálculos para a conferência da funcionalidade do dispositivo não foram
realizados, pois as próprias equações são suficientes para essa confirmação.
5.2. Análise Legal
A análise legal consiste no estudo de normas às quais o produto deve obedecer
e patentes já existentes, com o intuito de evitar impedimentos legais ao lançamento do
produto e também analisar as tendências tecnológicas de produtos semelhantes àquele
que está sendo desenvolvido.
5.2.1. Patentes
Através da plataforma „Google Patents’, fez-se uma pesquisa usando busca por
palavras-chaves e também por classificação, uma vez que se sabia que as patentes
procuradas estariam na seção „F‟ (Engenharia Mecânica, Iluminação, Aquecimento,
Armas e Explosão). Foram encontradas as seguintes patentes relevantes ao
desenvolvimento do produto objeto desse estudo:
5.2.1.1. Water-recycling shower, US4893364 (A) ― 1990-01-16
Essa patente refere-se a um sistema de recirculação de água em chuveiros
através de um reservatório localizado juntamente ao ralo, embaixo do usuário. Quando
o usuário não está utilizando a água (no momento de se ensaboar, por exemplo) ele
aciona um comando e a água do reservatório é puxada até o chuveiro. Na hora de se
ensaboar, ele aciona o comando novamente, então o fluxo de água reutilizada cessa e
água limpa volta a correr pelo chuveiro. Esse projeto visa a economia de água em
aviões e barcos.
54
5.2.1.2. Sanitation compartment for recovering the heat from hot wastewater
during bathing, WO2013020191 (A1) ― 2013-02-14
A presente invenção tem por objeto um box sanitário capaz de pré-aquecer a
água limpa e fria oriunda da rede hidráulica, a ser utilizada no banho, sendo que para
isso faz uso do calor residual presente na água descartada.
Figura 5-Water-recycling shower
55
Figura 6 - Sanitationcompartment for recoveringtheheatfrom hot wastewaterduringbathing
Figura 7 - Watersaving system
5.2.1.3. Water saving system, WO2013026116 (A1) ― 2013-02-28
Essa patente refere-se a um sistema de aquecimento central, compreendendo
um dispositivo termostato em comunicação com uma válvula de duas vias e um
conjunto de tubulação, o qual é adaptado para retornar à água cuja temperatura se
encontre abaixo da definida pelo usuário, levando-a para a origem do abastecimento.
56
5.2.1.4. Bath/shower water recycling system, US5345625 (A) ― 1994-09-13
Essa patente refere-se à invenção de um sistema que coleta água usada no
chuveiro e banheiro para usá-la no vaso sanitário, que por sua vez necessariamente
precisa ter um reservatório acoplado.
5.2.1.5. Hybrid gas-electric hot water heater, US2013266295 (A1) ― 2013-10-10
Chuveiro híbrido que utiliza aquecimento a gás e aquecimento elétrico.
Figura 8 - Bath/shower water recycling system
57
Figura 9 - Hybrid Gas-Electric Hot Water Heater
5.2.2. Comparação com as soluções propostas
5.2.2.1. Saída do chuveiro com reservatório externo
Essa solução se assemelha a patente (4), mas diferencia-se da mesma porque a
água coletada não é a utilizada no chuveiro, e sim a água que seria desperdiçada por
não estar na temperatura ideal. Do ponto de visto técnico, as duas invenções se
diferenciam pelo ponto de recolhimento da água: enquanto na patente o recolhimento
acontece no ralo, na solução proposta ele acontece no encanamento que antecede o
chuveiro.
Ainda, ela tem em comum com a patente (1) a existência de um reservatório
distal, isto é, distante do chuveiro.
Portanto, essa solução utilizará parte da tecnologia desenvolvida na patente (1) e
(4), mas isso não representa um impedimento legal para a sua venda.
58
5.2.2.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água
Essa solução mostra-se bastante original por não haver nenhuma patente com
muitas características em comum. A patente (3) é a que mais se assemelha por
apresentar um termostato ligado a um dispositivo mecânico, para que a água só seja
liberada quando estiver aquecida. Ainda assim, a solução se diferencia fortemente da
patente existente, pois a água não aquecida não retorna ao aquecedor e sim recebe
calor por mistura.
5.2.2.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante
Essa solução utiliza a tecnologia de um reservatório para o pré-aquecimento da
água utilizado na patente (2), mas o método de aquecimento difere entre as duas:
enquanto na solução ela é feita através de Efeito Joule, na patente é feita por
condução.
5.2.2.4. Aquecimento elétrico de passagem
A presença do termostato faz com que essa solução tenha um ponto em comum
com a patente (3), mas não há nenhuma outra semelhança entre as duas invenções. Já
com a patente (5), a solução tem em comum o fato de utilizar duas fontes de energia
para o aquecimento da água: fóssil (gás) e elétrica. Porém, como o Aquecedor Elétrico
de Passagem vai além e regula o uso das duas energias através das informações
obtidas do termostato, a existência da patente (5) não é um empecilho à sua fabricação.
5.2.3. Normas
Foram pesquisadas, no catálogo da Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT), as normas brasileiras que o produto em desenvolvimento deve cumprir.
Posteriormente, os critérios de cada norma foram analisados e comparados com as
59
definições de cada solução levantada. Por fim, concluiu-se que as quatro possibilidades
atendiam às normas relevantes e, portanto, eram viáveis do ponto de vista legal. São
elas:
5.2.3.1. ABNT NBR 5410:2004
Esta Norma estabelece as condições a que devem satisfazer as instalações
elétricas de baixa tensão, a fim de garantir a segurança de pessoas e animais, o
funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens. Esta Norma aplica-
se aos circuitos elétricos alimentados sob tensão nominal igual ou inferior a 1 000 V em
corrente alternada, com frequências inferiores a 400 Hz ou a 1 500 V em corrente
contínua.
5.2.3.2. NBR 13103
Estabelece os requisitos mínimos exigíveis para a instalação de aparelhos a gás
para uso residencial.
5.2.3.3. NBR 7198/93
Esta norma fixa as exigências técnicas mínimas quanto à higiene, à segurança, à
economia e ao conforto dos usuários, pelas quais devem ser projetadas e executadas
as instalações prediais de água quente.
Posteriormente, os critérios de cada norma foram analisados e comparados com as
definições de cada solução levantada. Por fim, concluiu-se que as quatro possibilidades
atendiam às normas relevantes e, portanto, eram viáveis do ponto de vista legal.
60
5.3. Análise Econômica
O custo de um produto engloba todos os gastos de seu processo produtivo,
desde a compra da matéria-prima ao transporte da mercadoria final. Para ser
economicamente viável, um produto deverá ter um custo menor do que seu preço,
criando a margem de lucro. A análise econômica lida com a investigação e
quantificação de todas as fontes de gastos, a fim de determinar o custo de produção de
uma unidade de cada alternativa. .
Foi feito um levantamento de custos a partir das seguintes fontes de gastos:
● Materiais;
● Mão-de-obra;
● Aluguel;
● Processo de Fabricação;
● Expedição;
● Tributação.
5.3.1. Gastos com materiais
Para criar uma estimativa do custo dos materiais em cada solução, foi feita uma
pesquisa pelos componentes encontrados em todas. Essa pesquisa levantou preços
encontrados em sítios de compra de atacado, procurando aproximar-se o máximo
possível da compra para produção em larga escala. Vale ressaltar que o custo final de
materiais certamente será menor do que o apresentado.
Compilados os preços e fontes de cada componente, temos:
61
Tabela 3 - Custo dos materiais
Material Preço Fonte
PVC R$ 2301,75 / ton. http://www.alibaba.com
PPR R$ 6682,50 / ton. http://portuguese.alibaba.com
Sensor de temperatura LM 35 R$ 5,50 http://www.webtronico.com
VálvulaSolenoide U119 R$ 6,39 http://pt.aliexpress.com
Arduíno (Placa) R$ 13,00 http://www.ebay.com
Cantoneira R$ 0,30 http://pt.aliexpress.com
Parafuso com Bucha R$ 0,03 http://pt.aliexpress.com
Micro Resistor R$ 0,01 http://pt.aliexpress.com
Resistor de Alta Voltagem R$ 20,00
Preço médio de resistências de
chuveiro de potência mais alta.
Estimativa feita após consulta em
sites de lojas de construtoras
como Leroy Merlin e Telhanorte
Para obter uma estimativa de custo quanto ao uso de material nas alternativas
que possuem reservatório, levantou-se dados da densidade do material, a espessura
das tubulações nas quais esses materiais são usados e utilizou-se o volume máximo
especificado como limitante do projeto na etapa de especificação técnica da
necessidade. O custo da fabricação desse reservatório é abordado na parte de gastos
com o processo de fabricação.
Reservatório de PVC: preço aproximado: R$ 7,15
Reservatório de PPR: preço aproximado: R$ 16,35
Os demais gastos com componentes são específicos da montagem de cada solução.
62
5.3.2. Gastos com mão de obra: salários e encargos trabalhistas
O primeiro passo para se obter uma estimativa do gasto com a mão-de-obra é
determinar uma estimativa do número de funcionários necessários para a empresa.
Como todas as soluções analisadas possuem características tecnológicas e materiais
semelhantes, é possível elaborar um processo produtivo simplificado em comum para
todas e usá-lo como base para determinar o número de funcionários. Tal processo
também auxiliará no momento de determinar os custos com uso das máquinas.
O processo está representado na tabela abaixo:
Tabela 4 - Funcionários necessários por etapa
Etapa Funcionários necessários
Transporte de matéria-prima para máquina de
injeção 1 meio oficial montador
Fabricação por injeção das peças de plástico 1 técnico de injeção
Transporte de peças para linha de montagem 1 meio oficial montador
Montagem 3 montadores
Embalagem 1 montador
Transporte dos produtos para o estoque 1 meio oficial montador
O processo de injeção foi escolhido por ser um dos mais comuns para os tipos
de plástico trabalhados, porém de forma alguma a escolha representa uma definição do
método de fabricação do produto. Tal definição não faz parte do estudo de viabilidade e
a escolha do método de injeção visa somente possibilitar uma estimativa de custo.
Além dos funcionários referentes ao processo produtivo, existem aqueles ligados
à administração da fábrica. Estima-se a necessidade de 2 secretárias e 1 gerente de
planejamento e controle de produção.
63
Com isso, torna-se possível estimar a necessidade de 11 funcionários. Os
valores dos salários de cada profissão da equipe estão compilados na tabela abaixo e
foram retirados do sítio da Catho, empresa especialista em análise do mercado de
trabalho. As denominações das profissões são as mesmas encontradas no sítio.
Tabela 5 - Salário médio dos trabalhadores
Profissão Salário Médio (R$)
Gerente de Planejamento e Controle de Produção 7.418,51
Secretária 1.344,27
Operador de Máquina Injetora 1.243,61
Montador 1.388,19
Meio Oficial Montador 1.060,55
Para calcular os encargos trabalhistas e sociais sobre esses funcionários, levou-
se em conta os custos ligados ao fator previdenciário, ao adicional de férias e ao 13º
salário de cada funcionário. Tal estimativa foi feita segundo o artigo do sítio Guia
Trabalhista e mostra que o custo criado pelos encargos é 33,77% do valor de cada
salário, por mês.
De posse dos valores dos salários, do custo mensal dos encargos trabalhistas e
sociais e do número de unidades produzidas por mês, encontra-se um gasto ligado à
mão-de-obra de R$ 14,14 por produto.
5.3.3. Gastos com aluguel
É necessário estimar uma área adequada para montar a fábrica, pensando na
disposição das bancadas de trabalho, no espaço ocupado pelas máquinas de
fabricação como a injetora de plástico, espaço adequado para movimentação dos
64
trabalhadores e espaço para os estoques de materiais e produtos, além da reserva de
certo espaço para a ala administrativa. Determina-se que um galpão de 250 m²
certamente abrigará todo o mobiliário, aparelhos e pessoas, sendo assim usado para
criar uma estimativa de custo de aluguel.
Segundo o sítio InfoMoney, em 2012 o valor do aluguel do metro quadrado de
galpões industriais em São Paulo era R$ 16,20. Usando esse dado como base para a
estimativa, o valor de gasto mensal com aluguel é de R$ 4.050,00. Dividindo esse valor
pela produção mensal, o gasto com aluguel acresce R$ 2,13 ao custo de uma unidade
do produto.
5.3.4. Gastos com o processo de fabricação
Para estabelecer todos os gastos relativos ao processo de fabricação, deve-se
considerar tanto uma estimativa do gasto energético das principais máquinas quanto do
gasto com iluminação e água da fábrica.
A principal máquina do processo é a que fabricará as peças de plástico. Reitera-
se que, para a análise de uma estimativa de custo é considerado que a fabricação
desses componentes se dá por injeção. Analisando vários modelos de máquinas
injetoras da marca Sicemar, retirando as informações técnicas do sítio da empresa,
nota-se que a potência média desse tipo de aparelho se encontra em torno de 20 KW.
Considerando que a máquina trabalhará 2 horas ao longo do dia e considerando 25
dias de trabalho mensais, tem-se um consumo próximo de 1000 KWh ao mês. Usando
a tarifa encontrada no sítio da Eletropaulo, esse consumo representa um gasto de
aproximadamente R$ 175,00.
Quanto aos gastos com iluminação e água, procurou-se estabelecer um paralelo
com empresas de atividade e porte semelhante. A plataforma Google Acadêmico foi
usada para levantar estudos de caso feitos em diversas empresas, procurando análises
de custo comparáveis às do projeto do dispositivo aquecedor de água. Chegou-se à
conclusão que o gasto com iluminação se encontrará em torno de R$ 40,00 ao mês e
da água em torno de R$25,00 ao mês.
65
Os fatores analisados são os principais criadores de custos no processo de
fabricação, sendo suficiente para obter uma estimativa adequada. Assim, o custo total
de produção é aproximadamente R$ 240,00, o que reflete em um custo de
aproximadamente R$ 0,13 por produto.
5.3.5. Gastos com expedição
Os custos da expedição do produto levam em conta principalmente o custo da
sua embalagem e o custo de transporte. Pesquisas feitas em sítios de venda de caixas
de papelão mostram que o preço do uso de uma embalagem de papelão, junto a outros
elementos como material isopor para proteção, não tem valor superior a R$ 2,00 por
unidade de produto.
Quanto ao frete, tomando o Correio Brasileiro como exemplo, um envio de uma
distância percorrida de 100 km de uma unidade do produto seria aproximadamente R$
2,00. Como o público alvo está na cidade de São Paulo, a distância indicada é mais do
que suficiente para representar a chegada do produto às lojas.
5.3.6. Gastos com tributação
Com a produção mensal e o preço do produto, podemos estimar o faturamento
anual da empresa em R$ 2.394.000,00. Tal valor permite a empresa se inserir no
regime do Simples Nacional. Esse regime, destinado a microempresas e empresas de
pequeno porte, permite o cálculo de todas as tributações por meio de uma alíquota
sobre o faturamento anual. O valor dessa alíquota varia com a faixa de faturamento em
que a empresa se encontra. Nesse caso, a alíquota em questão é 10,73% sobre o valor
do faturamento, o que reflete um custo de R$ 256.876,20 em impostos. Isso gera um
aumento de R$ 11,27 no custo por unidade do produto.
5.3.7. Cálculo dos custos das alternativas
Os custos de mão-de-obra, aluguel, produção, expedição e tributação são
comuns à todas as alternativas, visto que elas se assemelham muito em seu porte e
66
materiais usados. Dessa forma, os custos por unidade de produto, somados,
representam um custo básico para as alternativas, de valor R$ 31,67. A diferença dos
custos de cada alternativa está ligada aos materiais usados em cada uma. Assim, é
necessário analisar o custo de materiais caso a caso e adicioná-lo ao custo básico.
5.3.7.1. Saída do chuveiro com reservatório externo
Essa alternativa possui um reservatório de PVC, e conta com um sensor térmico
e duas válvulas solenoides ligadas a uma unidade de processamento, além de 4
cantoneiras e 16 conjuntos de parafusos e bucha. Dessa forma, o custo com os
materiais totaliza R$ 32,96. Ressalta-se que o custo dos canos PVC para criar a
conexão do chuveiro com a descarga não está incluso, sendo obrigação do consumidor
adquirir esses tubos de forma adequada para seu banheiro.
Com os gastos acima mencionados, o custo final é de R$ 64,63.
5.3.7.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água
Essa alternativa possui um reservatório de PPR e conta com um sensor térmico,
uma válvula solenoide ligada à unidade de processamento, além de 4 cantoneiras e 16
conjuntos de parafuso e bucha. Dessa forma, o custo com os materiais totaliza R$
42,92.
Com os gastos acima mencionados, o custo final é de R$ 75,88.
5.3.7.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante
Essa alternativa possui um reservatório de PPR, e conta com um sensor térmico,
uma válvula solenoide ligada à uma unidade de processamento e uma micro
resistência, além de 4 cantoneiras e 16 conjuntos de parafusos e bucha. Dessa forma,
o custo com os materiais totaliza R$ 42,93. Lembra-se que o uso do sistema de controle
é opcional, caso a resistência seja devidamente dimensionada. Assim, sem a utilização
de tal sistema, o custo com material seria de R$16,36.
67
Com os gastos acima mencionados, o custo final é de R$ 75,89 (ou R$ 49,32
sem o sistema de controle.
5.3.7.4. Aquecimento elétrico de passagem
Devido à ausência de um reservatório, os únicos materiais usados nessa solução
são a resistência de maior potência e o sistema de controle, composto do sensor
térmico e a unidade de processamento que controla o funcionamento da resistência.
Dessa forma, o custo com os materiais é R$ 38,50.
Com os gastos acima mencionados, o custo final é de R$ 71,46.
5.3.8. Seleção das alternativas economicamente viáveis
O valor do preço foi anteriormente determinado como R$ 105,00. Como custo
estimado para todas as soluções se encontra abaixo do valor do preço, determina-se
que todas são economicamente viáveis. A diferença se encontra somente na margem
de lucro gerada por cada alternativa.
5.4. Análise Ambiental
Nessa etapa, é feita a análise do impacto ambiental decorrente do produto no
mercado. Dessa forma, são levados em consideração tanto os materiais utilizados,
quanto os meios de produção e toda a vida útil do material até chegar no seu descarte.
Segundo uma pesquisa realizada pelo Centro Internacional de Referência em
Reuso de Água (Cirra/Poli) da USP (Universidade de São Paulo), a vazão média de
água em chuveiros a gás de uso doméstico é de 8,7 litros por minuto, enquanto os
chuveiros elétricos e híbridos gastam em média 4,2 litros por minuto. Sob o ponto de
vista de consumo de água, portanto, verifica-se que o chuveiro elétrico é
ecologicamente superior ao chuveiro a gás.
68
O segundo âmbito de comparação entre os dois é o energético. Nesse quesito, o
chuveiro a gás possui tanto maior eficiência energética, menor consumo e fonte de
energia menos poluente (Cirra/Poli) em relação ao chuveiro elétrico. Essa diferença se
dá pelo fato de que o aquecimento via efeito Joule requer uma potência dissipada
superior à do calor gerado pela combustão do gás natural, resultando em maior gasto
de energia do chuveiro elétrico. Além disso, a depender da matriz energética do país,
os efeitos ambientais da utilização de energia elétrica podem ser ainda mais nocivos ao
ambiente, como visto em países que geram energia a partir da queima de carvão
mineral ou petróleo.
A análise do impacto ambiental de cada uma das soluções passa pelos materiais
empregados, peças utilizadas e no funcionamento da solução. Cada um desses
âmbitos definirá a pegada ecológica das soluções, determinando a sua viabilidade
ambiental.
Nas soluções B, C e D, a escolha da tubulação ficou entre dois modelos de alta
difusão no mercado: o PPR (Polipropileno Copolímero Random Tipo 3) e o CPVC
(policloreto de vinila clorado). Após análise técnica, econômica e ambiental, optou-se
pela utilização de tubos de PPR, uma vez que esse material tem se mostrado, ao longo
do tempo, uma alternativa viável ao uso do CPVC. Em termos ambientais, o CPVC
libera diversas substâncias tóxicas em sua produção e ao longo de seu ciclo de vida.
Além disso a produção de PPR requer menor gasto de energia e seus tubos possuem
maior facilidade de instalação, pois a junção de suas partes é feita por termofusão,
dispensando uso de soldas, colas, borrachas, adesivos e outros materiais tóxicos
agressivos ao meio ambiente. Além disso, a conexão uniforme entre tubos elimina
vazamentos, ocasionando em menor desperdício de água.
As soluções A, B e C apresentam sensores, válvulas solenoides e um micro
controlador Arduíno, resultando um impacto ambiental maior devido a produção desses
componentes. A solução D é a única que dispensa o uso de válvulas, possuindo uma
produção ecologicamente superior às restantes nesse âmbito.
A seguir, segue uma análise detalhada da viabilidade ambiental de cada uma
das soluções. Descreve-se em cada seção as vantagens e desvantagens ecológicas da
69
solução, permitindo uma avaliação da sua viabilidade e comparação com as demais
ideias.
5.4.1. Saída do chuveiro com reservatório externo
Nessa solução parte da tubulação utilizará o PVC. Apesar de popular, esse
material vem sendo substituído ao longo do tempo devido aos impactos ambientais
causados ao longo de sua vida útil e em sua produção, como poluição tóxica, metais
pesados e dioxinas, que se acumulam na cadeia alimentar e causam danos ao sistema
imunológico, reprodutivo e possuem potencial cancerígeno.
5.4.2. Reservatório proximal acoplado com mistura de água
Essa solução utilizará o PPR para transporte de água quente. Além disso, a
presença de um mecanismo de válvulas requer a produção de componentes que
possibilitem seu funcionamento, como o motores e placas de processamento. Cada
componente da válvula solenoide gera impactos ambientais adicionais na sua
produção, como metais pesados utilizados na composição de microchips e alto gasto
energético na construção de motores.
5.4.3. Reservatório proximal com micro aquecimento constante
O material utilizado pela tubulação, conforme explicado anteriormente, é o PPR.
Além disso, a solução apresenta válvulas solenoides, resistência e Arduíno, possuindo
também os problemas de fabricação e descarte citados anteriormente. Por conta da
introdução de uma resistência elétrica de baixa potência na solução, há um impacto
ambiental adicional devido ao consumo de energia elétrica no sistema.
5.3.4. Aquecimento elétrico de passagem
A presente solução dispensa a utilização de válvula solenoide, reduzindo o seu
impacto ambiental. A presença de sensores térmicos e placa micro controladora, além
de resistência elétrica de alta potência, acarretam em danos ambientais já discutidos
70
nos passos anteriores. Além disso o tubo utilizado pelos motivos anteriores continua
sendo o PPR.
6. Projeto básico
6.1. Escolha da melhor alternativa
6.1.1. Matriz de decisão
Para a escolha da solução final, foi usado o método AHP1 de análise e
comparação entre variadas opções. O Analytic Hierarchy Process (AHP) (SAATY, 1980)
é um método para auxiliar tomadas de decisões complexas. Mais do que somente
determinar qual a decisão correta, a AHP permite ao seu usuário a concepção da
justificativa das suas escolhas. O método é descrito abaixo, explicitando o processo de
escolha da melhor solução dentre aquelas geradas pelo estudo de viabilidade.
6.1.1.1. Escolha dos critérios
Primeiramente, em um processo de brainstorming, foram levantados diversos
critérios sob os quais poderiam ser avaliadas e comparadas às diferentes soluções.
Os critérios escolhidos pelo grupo seguem listados abaixo.
Custo: valor do custo de produção de um único dispositivo.
Facilidade de instalação: quanto é necessário intervir na estrutura do
banheiro do usuário para instalar o produto.
Tempo de aquecimento: intervalo de tempo entre o acionamento do
chuveiro e a saída de água na temperatura escolhida.
Eficiência energética: energia que o consumidor gastará com a utilização
do equipamento.
71
Estética: o quanto a instalação do dispositivo afeta a imagem do ambiente.
Simplicidade: quantidade de funções críticas que o dispositivo apresenta.
Segurança: risco de o dispositivo causar algum dano à integridade física
do usuário.
Durabilidade: intervalo de tempo até que um dos elementos do dispositivo
apresente falhas.
Custo de manutenção: em caso de necessidade de manutenção corretiva,
ou seja, o mecanismo apresentar falhas, quanto o consumidor terá que
gastar para consertá-lo.
Tamanho: dimensões previstas para o dispositivo.
Confiabilidade: capacidade de o mecanismo realizar sua função sem
falhas durante um determinado intervalo de tempo e sob condição
funcionamento.
Em seguida, cada um dos critérios foi estudado e pesquisado afim de melhor
embasar o estudo. Foi realizada também uma análise inicial sobre a lista de
critérios afim de se identificar aqueles que eram redundantes, ou seja, avaliavam
exatamente os mesmos atributos de outro critério existente. Porém, constatou-se
que não havia nenhum par de critérios correlacionados e, portanto, nenhum
atributo foi excluído por esse motivo.
Além disso, a análise dos critérios permitiu a constatação de que seria
inviável ou inútil utilizar três dos critérios levantados. Abaixo, seguem explicitados
os três critérios, juntamente com a justificativa do porquê eles foram descartados
da matriz de decisão.
Confiabilidade
Confiabilidade pode ser definida como a capacidade de um item realizar
uma função requerida durante um determinado período de tempo, submetido a
um determinado meio, em condições de projeto (Hoyland&Rausand, 1994).
Nesta definição, itens são componentes, subsistemas ou sistemas que
constituem um produto ou serviço. A função requerida pode ser uma função
72
única ou a combinação de funções necessárias para produzir um serviço
específico. Um item considerado confiável deve operar na aplicação para a qual
foi desenvolvido dentro de uma faixa especificada de eficiência e durante um
período de tempo determinado.
Para analisar a confiabilidade de um sistema, o analista deve deduzir um
modelo estocástico que descreva o sistema analisado e inclua a suas funções
essenciais. Existem diversas formas de analisar a confiabilidade de um produto
em desenvolvimento, como a função de risco, função confiabilidade e o tempo-
até-falha (Falcetta, 2000). Todas as formas citadas são baseadas em testes
físicos, em que o sistema é posto para funcionar por um intervalo de tempo
previsto e são medidos após o teste o número de falhas, por exemplo. A partir
dos resultados dos testes, são utilizados métodos estatísticos para se determinar
a confiabilidade do item em análise.
Pela literatura, observa-se que a confiabilidade é calculada principalmente
através de testes realizados com suas respectivas falhas computadas. Como as
soluções oriundas do Estudo de Viabilidade não foram prototipadas a ponto de
ser possível a realização desses ensaios, não seria possível quantificar e avaliar
a sua confiabilidade de maneira clara e objetiva. Portanto, apesar de o grupo
considerar a confiabilidade uma característica de grande valia na escolha do
produto, optou-se por retirá-la da Matriz de Decisão.
Custo de Manutenção
Manutenção é um processo que visa proporcionar um aumento do tempo
de utilização e maior rendimento de um equipamento. Seus principais resultados
são a garantia de condições seguras e estáveis de trabalho de um dispositivo e a
redução de custos com quebras e paradas.
Existem 3 tipos possíveis de manutenção: a corretiva, a preventiva e a
preditiva. A corretiva trata-se de uma manutenção não planejada de um
equipamento e tem como objetivo a localização, correção, reparação de quebras
ou defeitos. Nesse caso, os defeitos devem ter cessado ou diminuído a
capacidade do equipamento de exercer as funções para as quais foi projetado.
73
Essa modalidade de manutenção é a que apresenta maiores custos e é a de
mais difícil realização.
A manutenção preventiva é uma manutenção planejada que tem como
objetivo reparar, lubrificar, ajustar, recondicionar os equipamentos e é baseada
de acordo com o histórico de falhas de um determinado equipamento.
Finalizando, a preditiva é o acompanhamento periódico dos equipamentos,
baseado na análise de dados coletados através de monitoramento ou inspeções
em campo, indicando as condições reais de funcionamento dos equipamentos
com base em dados que informam o seu desgaste ou processo de degradação.
O tipo de manutenção mais adequada para o produto em
desenvolvimento nesse trabalho seria a manutenção corretiva, ou seja, aquela
que ocorrerá somente quando ocorre quebra do produto. Para realizar as
estimativas necessárias para comparar as alternativas na matriz de decisão sob
esse critério, a literatura dita que devem ser empregados estudos estatísticos
que analisem as falhas nos testes físicos do produto. Desse modo, mais uma
vez, a necessidade de se ter um produto já projetado inviabiliza a análise sob
esse critério, visto que não há dados disponíveis que embasem a tomada de
decisões.
Outro modo de se fazer uma estimativa dos custos de manutenção é
baseado na vida útil dos componentes que fazem parte do produto. No caso,
quanto menor a vida útil, maior seriam os custos de manutenção. Para os
componentes críticos encontrados em todos os produtos das soluções, o menor
valor encontrado para a vida útil seria da resistência de chuveiros elétricos, 5
anos (Walczak), seguido da resistência de aquecedores de água por
acumulação, 11 anos (Dif15), e chegando ao limite de 50 anos para o PVC. No
entanto, em muitos dos componentes pesquisados não havia dados confiáveis
sobre a vida útil das peças ou os valores obtidos não comportavam a vida útil
sob as condições de operação dos dispositivos, de tal forma que os dados
disponíveis não possibilitaram a análise objetiva das soluções sob a ótica da vida
útil. Sendo assim, optou-se por fim em excluir o critério “manutenção” da matriz
de decisão.
74
Durabilidade
A ideia inicial ao escolher o critério durabilidade era definir o tempo de vida do
produto, de forma a dar notas melhores para produtos que durassem mais tempo que
outros, levando em conta a manutenção deles. No entanto, foi levantado que no âmbito
da engenharia, o termo durabilidade está mais ligado à engenharia civil e à capacidade
de estruturas físicas de resistirem a diversos tipos de desgaste. Como exemplo de
aplicação desse critério, pode-se citar a classificação de estruturas de concreto quanto
a resistência a fatores ambientais, como humidade e variações periódicas de
temperatura.
Como se espera que a maioria das soluções apresentem durabilidade
semelhante, devido aos seus materiais e condições de uso, o critério foi eliminado.
6.1.1.2. Peso dos critérios
A matriz presente na tabela 6 (abaixo) foi preenchida avaliando comparativamente
os critérios da coluna e linha de cada célula. A escala usada para atribuição de notas
pode ser vista na tabela 6.
75
Tabela 6 - Matriz para a avaliação comparativa entre os critérios
Custo
Facilidade
de
instalação
Tempo de
aquecimento
Eficiência
energética Estética Simplicidade
Custo
Facilidade
de
instalação
Tempo de
aquecimento
Eficiência
energética
Estética
Simplicidade
Soma
Tabela 7 - Escala de notas
Nota
1 Critérios são igualmente importantes
2 Critério da linha é moderadamente mais importante que critério da
coluna
3 Critério da linha é mais importante que critério da coluna
4 Critério da linha é muito mais importante que critério da coluna
5 Critério da linha é extremamente mais importante que critério da
coluna
Após preenchida a matriz de critérios, o peso de cada critério foi calculado
e normalizado. O resultado pode ser visto na tabela 8.
76
Tabela 8 - Pesos normalizados
Critérios Pesos
normalizados
Custo 0,1489
Facilidade de
instalação
0,0792
Tempo de
aquecimento
0,0365
Eficiência
energética
0,0456
Estética 0,0615
Simplicidade 0,0419
Segurança 0,1930
Durabilidade 0,2255
Custo de
manutenção
0,1208
Tamanho 0,0470
Soma 1,0000
Gráfico 14 - Pesos normalizados
Custo
Facilidade deinstalação
Tempo deAquecimento
Eficiênciaenergética
Estética
Simplicidade
Segurança
Tamanho
77
6.1.1.3. Avaliação das soluções
Após a escolha dos critérios e a definição de seus pesos, foi feita uma escala de
notas para cada um deles, de modo a guiar a avaliação das soluções. As escalas são
mostradas e descritas abaixo.
Tabela 9 - Escala dos critérios
Nota
Custo de
fabricação
(reais)
Facilidade de instalação Tempo de aquecimento
(s)
1 Maior que
73,64
Requer fixação de um componente
na parede e instalação de
tubulação
Maior que 232
2 71,39 - 73,64
189 - 232
3 69,13 - 71,39 Requer fixação de um componente
na parede sem alterar tubulação 145 - 189
4 66,88 - 69,13
102 - 145
5 Menor que
66,88
É encaixável no sistema atual, não
demandando fixação ou alteração
adicional
Menor que 102
78
Tabela 10 - Escala dos critérios
Nota Eficiência energética
(potência [KW] gasta) Estética
1 Maior que 2,08 Impacto negativo sobre o ambiente e não dá para
fazer uma estética agradável
2 1,39 - 2,08 Impacto negativo sobre o ambiente atual mas dá
para fazer uma estética agradável
3 0,693 - 1,39 Impacto sobre o ambiente atual mas dá para fazer
uma estética agradável
4 0 - 0,693 Impacto mínimo sobre o ambiente atual e dá para
fazer uma estética pouco agradável
5 0 Impacto mínimo sobre o ambiente atual e dá para
fazer uma estética agradável
Tabela 11 - Escala dos critérios
Nota Simplicidade (número de funções
críticas) Segurança
Tamanho
(L)
1 Mais que cinco funções críticas Alto potencial de risco ao
usuário 43,2 - 54
2 Quatro funções críticas Médio potencial de risco ao
usuário 32,4 - 43,2
3 Três funções críticas Baixo potencial de risco ao
usuário 21,6 - 32,4
4 Duas funções críticas Muito baixo potencial de risco
ao usuário 10,8 - 21,6
5 Uma função crítica Nenhum potencial de risco ao
usuário 0 - 10,8
Em seguida, cada solução recebeu sua nota para cada critério, respeitando a
escala realizada. O resultado se encontra abaixo:
79
Tabela 12 - Atribuição de notas para as soluções
Solução A
(vaso
sanitário)
Solução B
(reservatório)
Solução C
(micro
resistência)
Solução D
(chuveiro
elétrico)
Pesos
normalizados
Custo 5 1 1 2 0,2296
Facilidade
de
instalação
1 3 3 5 0,1139
Tempo de
aquecimento 4 1 4 5 0,0574
Eficiência
energética 4 5 1 2 0,0721
Estética 1 3 3 5 0,0983
Simplicidade 2 4 4 4 0,0643
Segurança 4 4 3 4 0,2915
Tamanho 1 2 3 5 0,0729
Soma 3,2459 2,8530 2,5183 3,7390 1,0000
Como pode ser visto na tabela 12, a solução melhor avaliada foi a solução D, o
aquecedor elétrico de passagem. Conforme descrito no estudo de viabilidade, essa
solução consiste na instalação de uma resistência elétrica no chuveiro a gás, a qual
aqueceria a água de forma instantânea, assemelhando-se a um chuveiro híbrido. A
solução tem também a particularidade de regular a potência de aquecimento conforme
a água chega ao dispositivo em temperatura mais elevada, além de poder ser acoplada
a um chuveiro já existente, sem a necessidade de substituição do sistema atual.
80
6.2. Análises de sensibilidade
A análise de sensibilidade tem como objetivo fazer uma avaliação profunda do
funcionamento do produto afim de se descobrir e quantificar qual a influência que cada
componente tem sobre o seu desempenho. Sendo assim, procura-se avaliar como os
parâmetros que compõem cada subsistema do projeto afetam suas saídas, traçando
uma função que relacione a variação dessas duas grandezas.
A seguir, serão vistos os passos realizados na efetivação da análise de
sensibilidade. Em ordem, o produto será separado em subsistemas principais, os
parâmetros, entradas e saídas de cada sistema serão explicitados, serão realizadas
modelagens que aproximem a situação real por representações estudáveis e, por fim,
serão encontradas as funções que relacionem as variáveis e saídas dos sistemas. Ao
fim da análise, espera-se obter uma avaliação mais embasada acerca da
adequabilidade das soluções, realizar uma avaliação preliminar do desempenho e obter
um maior conhecimento sobre o produto.
A solução escolhida através da matriz de decisão tem duas principais
características: aquecimento instantâneo da água por meio de uma resistência elétrica
e modulação do aquecimento elétrico à medida que a água na entrada do produto
passa a chegar aquecida pelo sistema a gás. Sendo assim, podemos definir dois
principais sistemas críticos do produto: Aquecimento e Controle. A seguir, segue
esquematizado o produto e os seus subsistemas.
Figura 10 - Esquematização da solução escolhida
81
Figura 11 - Separação da solução escolhida em sistemas críticos
Conforme visto nas figuras, a principal característica do sistema de aquecimento
é receber uma vazão de água a uma determinada temperatura e aquecê-la através de
uma resistência elétrica à temperatura desejada para banho. O sistema de controle tem
como função averiguar a temperatura da água que chega ao produto e modular a
dissipação de calor na resistência de acordo com o que for medido, garantindo uma
maior eficiência energética e uniformidade da temperatura da água que saí pelo
chuveiro.
Nos passos que sucedem, cada sistema será analisado de forma separada, afim
de melhor explicitar suas propriedades e funcionamento.
6.2.1. Análise de sensibilidade de aquecimento
Conforme descrito anteriormente, a função principal do sistema de aquecimento
é promover uma elevação da temperatura da água que atravessa o conjunto. A seguir,
serão explicitadas as entradas e saídas do sistema.
82
Figura 12 - Entradas e Saídas do Sistema de Aquecimento
Entradas:
Vazão de água, em litros por minuto:
Temperatura de água, em graus Celsius, dependente da temperatura
ambiente e do tempo.
Potência da Resistência, em Watts, dependente de T1: W(T1)
Saídas:
Vazão de água, em litros por minuto:
Temperatura de água, em graus Celsius, dependente da temperatura
de entrada e das trocas de calor no tubo.
Uma vez descritas as entradas e saídas do sistema, busca-se agora definir os principais
parâmetros que o compõe. A definição dos parâmetros tem como objetivo elencar todos
fatores que, sujeitos a modificação, poderão alterar as saídas do sistema. Mais
especificamente, consideraremos somente a saída referente a temperatura da água,
pois não há nenhum fator que altere significativamente a vazão, além da análise desta
não ser o escopo do produto. Os parâmetros listados a seguir, portanto, compreendem
as variáveis cuja capacidade de alteração da temperatura de saída da água será
testada nos passos que seguem.
Potência dissipada pela resistência
Vazão de água pelo sistema
83
Geometria do Tubo: Diâmetro e Comprimento
Geometria da Resistencia: número de espiras, diâmetro, comprimento.
6.2.1.1. Modelo simbólico
Aplicando a primeira lei da termodinâmica e equação da continuidade no
seguinte volume de controle.
Equação da continuidade:
1ª Lei da Termodinâmica, supondo fluxo em regime permanente (em relação à
vazão) e desprezando as trocas de calor com o ambiente:
Em que W é a potência fornecida, é a vazão mássica e T2 e T1 as temperaturas de
saída e entrada, respectivamente. Assumindo a densidade da água como constante na
faixa de valores entre 10 e 40ºC e como sendo aproximadamente igual 1kg/l,
substituiremos na fórmula a vazão mássica por volumétrica (em litros/minuto).
Assim, obtém-se modelo matemático que relaciona a potência na resistência
com a vazão de entrada da agua e a diferença de temperatura proporcionada pelo
84
sistema. No entanto, vale frisar que esse modelo teórico possui uma série de limitações
e simplificações, como na dissipação de potência no solenoide e nas trocas de calor
com o ambiente, tendo como função embasar o estudo do mecanismo sob condições
ideais de operação do mecanismo. Desse modo, os valores e relações encontrados
através desse modelo serão tomados como teto de rendimento do dispositivo.
Para prosseguir nos cálculos a partir do modelo teórico, serão feitas as seguintes
suposições:
T1= 20°C (19.8°C Temperatura média anual de São Paulo)
T2 = 38°C (Temperatura de Conforto entre 36 e 40°C ° (Kieling 1996 in
Chaguri 2009)
C=4.2 kJ/kg*K
Vazão= 8.7 l/min=8.7kg/min
Como a temperatura de chegada da água no tubo (água fornecida pelo
aquecedor a gás) varia com o tempo, definiremos também a função que modele essa
variação. Fixaremos a temperatura inicial como igual à temperatura ambiente
(T1=20ºC), que a temperatura final é aproximadamente 40ºC e que demora, em média,
57 segundos para a água atingir esse valor (dados obtidos no estudo de viabilidade).
Aproximando a curva temperatura pelo tempo por uma exponencial (ou seja, a taxa de
crescimento da temperatura é maior no fim do que no fim início do banho) obtemos a
função que quantifica a temperatura de chegada da água pelo tempo. Vale ressaltar
que essa função só vale no período transiente, ou seja, uma vez atingidos os 40ºC, o
sistema entra em regime permanente em relação a temperatura, a qual se estabiliza
nesse valor.
Sendo assim, podemos adaptar a fórmula obtida na primeira lei para a seguinte.
Finalmente, podemos partir para obter as relações entre os fatores de par em
par, conforme será visto nos tópicos a seguir. A obtenção dessas relações será útil para
comparação dos valores teóricos com aqueles obtidos via análise em software,
conforme será explicado conforme será visto nos tópicos a seguir.
85
6.2.1.2. Relação entre potência e vazão
Nessa análise, deseja-se obter a relação entre potência dissipada pela
resistência elétrica e a vazão volumétrica do sistema para uma determinada diferença
de temperatura. Para isso, fixaremos T1=20ºC (ou seja, t=0), T2=38ºC e c=4.2 kJ/kg*K.
Substituindo os valores na equação, obtemos os seguintes dados.
W x Vazão – valores acima
10962 11718 12474 13230 13986 14742 15498 16254 17010 17766
Vp 8,7 9,3 9,9 10,5 11,1 11,7 12,3 12,9 13,5 14,1
W x Vazão – valores abaixo
W 10962 10206 9450 8694 7938 7182 6426 5670 4914 4158
Vp 8,7 8,1 7,5 6,9 6,3 5,7 5,1 4,5 3,9 3,3
Gráfico 15 - Relação entre potência e vazão
Desse modo, encontramos a relação .
W = 1260*Vp
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Po
tên
cia
(W)
Vazão (l/min)
Potência vs Vazão
86
6.2.1.3. Relação entre potência e temperatura de saída
Nessa análise, deseja-se obter a relação entre potência dissipada pela
resistência elétrica e a temperatura na saída do tubo para uma determinada
temperatura de entrada e fluxo de água. Para isso, fixaremos T1=20ºC (ou seja, t=0),
V=8,7 l/min e c=4.2 kJ/kg*K. Substituindo os valores na equação de potência e vazão,
obtemos os seguintes dados.
W x T2 – valores acima
W 10962 10353 9744 9135 8526 7917 7308
deltaT 18 17 16 15 14 13 12
T2 38 39 40 41 42 43 44
W x T2 – valores abaixo
W 10962 11571 12180 12789 13398 14007 14616
deltaT 18 19 20 21 22 23 24
T2 38 37 36 35 34 33 32
Gráfico 16 - Temperatura de Saída vs Potência
Desse modo, encontramos a relação T2 = 0,0016W+ 20.
T2 = 0,0016W+ 20
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Potência (W)
Temperatura de Saída vs Potência
87
6.2.1.4. Análises restantes: Geometria da Solenoide e do Tubo
O modelo descrito pela primeira lei não comporta a influência sobre o sistema de
dois parâmetros importantes: a geometria do solenoide e do tubo. Para que essas duas
variáveis sejam contabilizadas no modelo simbólico em questão, torna-se necessário
ampliá-lo afim de incluir a análise dos processos de transferência de calor no sistema.
Isso inclui tanto a capacidade de o solenoide efetivamente transferir calor ao fluido
quanto às perdas de energia por trocas com a parede do tubo. Ambos efeitos terão
como resultado uma diminuição dos valores preditos pela primeira lei, ocasionando,
portanto, em uma diminuição da eficiência do sistema. Chamando de Wperdido a
diferença entre o valor ideal e o ajustado ao novo modelo da potência útil, encontramos
o novo equacionamento do sistema de aquecimento.
Em ambos os casos, os materiais escolhidos e a geometria dos componentes
terão papel fundamental na eficiência do sistema. Como os materiais ou já foram
definidos com base no estudo de viabilidade (no caso do tubo) ou são padronizados no
mercado (no caso do solenoide), optou-se por analisar somente a geometria de ambos.
No caso do solenoide, a transformação de energia elétrica em térmica através do efeito
Joule terá como efeito imediato um aumento da temperatura do resistor. A diferença de
temperatura entre a espira e o fluido passante terá como consequência a realização de
trocas de calor entre ambos, aquecendo a água no tubo. No entanto, essas trocas de
calor não conseguem transferir integralmente a potência que chega no solenoide para o
líquido, sendo que parte da energia é retida na resistência, elevando a sua temperatura;
ou dissipada, por exemplo, por meio da emissão de energia eletromagnética. As perdas
por irradiação serão desprezadas nessa análise e nos focaremos na incapacidade do
solenoide transferir instantaneamente o trabalho elétrico que chega em energia térmica
para o líquido (como potência é a derivada no tempo do trabalho, um maior tempo para
transferir o mesmo trabalho resulta na diminuição da potência útil).
88
O equacionamento da análise teórica descrita anteriormente, será visto no que
sucede.
Potência elétrica que chega ao solenoide:
Resistencia:
Em que “L” é o comprimento total e “A” é a área da seção transversal do fio,
sendo diretamente relacionados a geometria do solenoide, enquanto “ ” é a
resistividade, a qual depende somente do material e da temperatura. A influência do
aumento temperatura sobre a resistência pode ser quantificado a partir do coeficiente
de temperatura α, a partir da equação descrita a seguir.
Substituindo a equação da resistência no da potência elétrica e substituindo os
valores da resistividade (1,12 Ωmm²/m) e do coeficiente de temperatura do material do
solenoide (0,00017ºC-1) (Serway, 1998) e para uma tensão nominal de 220 volts,
conseguimos isolar somente a influência da geometria da espira sobre a potência.
Essa equação fornece a potência dissipada em função do comprimento da espira
(em metros) e área da seção (em milímetros quadrados). No entanto, em razão de os
resistores para chuveiro a venda no mercado virem caracterizados não pela sua
resistência (em ohms), mas sim diretamente pela potência elétrica dissipada (em
Watts), essa análise não apresenta importância tão grande ao se pensar que a
resistência será comprada de um fornecedor já com sua potência especificada.
Corroborando essa linha de pensamento, optou-se anteriormente por definir a
entrada de energia no dispositivo como a potência elétrica em detrimento da corrente,
89
excluindo a necessidade de se avaliar a influência da geometria sobre a resistência
elétrica. Sendo assim, a análise da geometria do solenoide terá como objetivo principal
ver a influência desta sobre a dissipação de calor, visto a seguir.
O efeito Joule provocará uma alteração na temperatura do solenoide conforme a
equação.
Essa diferença de temperatura é o que levará as trocas de calor entre fluido e líquido.
Segundo Pereira (2010, p.277):
“A transferência de calor entre um sólido e um fluido é um
fenômeno bastante complexo, neste trabalho em questão envolve
os fenômenos de condução e convecção no fluído. Assim, para
descrever precisamente esta situação, precisam-se resolver
simultaneamente as equações de massa, quantidade de
movimento e energia no fluido. [...] Para a abordagem analítica
ressaltam-se alguns aspectos sobre escoamento e transferência
de calor. O modo de transferência por convecção abrange dois
mecanismos. Além da transferência de energia devido ao
movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é
transferida através do movimento global, ou macroscópico, do
fluido [3] e [9]. Interessa-se especialmente pela transferência de
calor por convecção que ocorre no contato entre um fluido em
movimento e uma superfície, quando os dois se encontram em
temperaturas diferentes.”
Conforme descreve o autor, o cálculo das trocas de calor requer uma bagagem
teórica na área de transferência de calor que ultrapassam a capacidade técnica dos
integrantes do presente grupo. Em conversa com o Prof. Doutor Guenther Carlos
Krieger Filho, do Laboratório de Engenharia Térmica e Ambiental da Escola Politécnica
da USP, fora recomendado que o problema fosse tomado somente do ponto de vista da
convecção e simplificado para a lei de resfriamento de Newton.
90
Em que é a taxa de troca de calor (ou de fornecimento de potência), h é o
coeficiente individual de transporte de calor, A é a área de superfície do solenoide, Ts =
temperatura de superfície do solenoide e Tf = temperatura do ar circundante. Conforme
demonstra a equação, a dissipação de calor pode ser melhorada através do aumento
da área do dissipador ou do coeficiente individual de transporte de calor. No entanto,
esse coeficiente é obtido de forma empírica ou através de modelos teóricos específicos,
sendo dependente da geometria do dissipador, da orientação do dissipador e do fluxo
de fluido que o atravessa [Pomilio, 2013]. Sendo assim, a influência da geometria do
solenoide sobre a dissipação de potência, e, por conseguinte, sobre a temperatura de
saída da água não pode ser corretamente avaliada através do modelo teórico, optando-
se por avalia-la através do software de dinâmica computacional dos fluidos.
Por fim, a mesma lógica empregada para a dissipação de potência no solenoide pode
ser empregada para as trocas de calor entre o fluido e a parede, delegando-se a tarefa
de avaliar essa relação ao software CFD.
6.2.2. Simulação em software CFD
Afim de se obter resultados mais próximos à realidade, o sistema de
aquecimento de água foi modelado no software “Autodesk Inventor 2015” e
posteriormente analisado com o software de Dinâmica Computacional dos Fluidos
(CFD) “Autodesk Simulation CFD 2015”. A modelagem em CAD, nesse primeiro
momento, não teve como objetivo prover uma versão final do produto, mas sim realizar
uma aproximação do sistema de aquecimento afim de testar o seu funcionamento.
A metodologia de testes consiste em fixar todos os parâmetros de projeto com
exceção de um, o qual sofrerá variações em cada série de iterações. Em cada análise,
é visto como a variação imputada reflete sobre a temperatura de saída da água
(principal saída do sistema testado). A partir dessa relação, é traçada uma função que
quantifique a correspondência entre as duas variáveis, o que se configura como
91
objetivo primário da análise de sensibilidade. A seguir, serão descritos todos os passos
realizados para montagem dos testes e os resultados obtidos.
6.2.2.1. Modelagem de testes
O software “Autodesk Simulation CFD 2015” é um ambiente de análise de
elementos finitos para dinâmica computacional dos fluídos que, a partir de um modelo
de software CAD e uma série de definições sobre as condições iniciais do escoamento
e do sistema material, provê ao usuário uma simulação do fluxo e uma caracterização
de suas propriedades físicas, como temperatura, pressão, velocidades, tensões de
cisalhamento, trocas de calor e afins.
O modelo em CAD é composto de duas principais partes: um tubo de polipropileno
copolímero random tipo 3 (PPR) e uma resistência elétrica solenoide. Parte do desafio
de simular computacionalmente o dispositivo consiste no fato de que, a cada alteração
geométrica a ser testada, um modelo novo em CAD tem de ser refeito e testado. O
dimensionamento e características físicas do tubo de PPR foram extraídos do catálogo
da empresa Tigre(Tigre SA, 2013). Na tabela abaixo, seguem os dados utilizados para
a modelagem do tubo de PPR. Para dimensionamento do diâmetro e espessura do
tubo, foi utilizada como referência a linha PN12 de tubos da empresa Tigre.
Tabela 13 - Propriedades Físicas do PPR (Tigre SA, 2013)
Características Método de medição Unidades Valores
Densidade ISO 1133 g / cm³ 0,3
Ponto de fusão Método interno 0°C 136,5 - 142,5
Condutividade térmica a 23°C
DIN 8078 W/mk 0,23
92
Tabela 14 - Dimensão do tubo de PPR, linha PN12 (Tigre SA, 2013)
Diâmetro Externo (mm) Espessura
(mm)
20 1,9
25 2,3
32 3
40 3,7
50 4,6
63 5,8
75 6,9
90 8,2
Figura 13 - Renderização do modelo em CAD do tubo de PPR (90x180mm)
A modelagem da resistência elétrica teve como referência os modelos já
existentes no mercado de resistências elétricas para chuveiros elétricos. Essa peça
consiste em um solenoide feito de uma liga de níquel-cromo capaz de gerar energia
térmica a partir da elétrica por meio do efeito Joule. Uma pesquisa feita
presencialmente em loja de material de construção demonstrou a existência de uma
grande diversidade de formatos e potências de resistências elétricas no mercado.
Sendo assim, foram modeladas uma variedade de resistências, as quais destoam entre
si pelo seu diâmetro, comprimento, número de voltas e presença ou não de hélices
93
internas. O modelo escolhido na maioria das iterações foi o de solenoide simples (sem
hélices internas), com grande número de voltas, comprimento grande e diâmetro
pequeno, permitindo uma grande versatilidade na instalação em tubos de diferentes
diâmetros e formatos. A seguir, estão dispostas alguns dos solenoides modelados.
Figura 14 - Modelo de solenoide com hélices internas. Embora comum, não utilizado por dificuldade de
processamento no software CFD.
Figura 15: Modelo de solenoide com hélices internas. Embora comum, não utilizado por dificuldade de
processamento no software CFD.
94
Figura 16: Solenoide de diâmetro pequeno e pequeno espaçamento
Quanto às propriedades físicas das resistências elétricas, sua composição
comumente é uma liga de Níquel-Cromo (15%-25%Cr, 19-80%Ni) (Maceti, Levada, &
Lautenschlegue, 2007). Na tabela abaixo, seguem as propriedades de ligas de Nicromo
dentro dessa faixa. Tomaremos como referência a Liga Níquel-Cromo 65/15, por se
postar em uma faixa intermediárias entre os valores expressos.
95
Tabela 15- Tabela de Materiais
Liga de Níquel-Cromo
Propriedades nominais NÍ-CRO 80/20 NÍ-CRO 65/15 NÍ-CRO 35/20
~ Cromo 20,00 16,00 19,50
~ Ferro - Restante Restante
~ Silício 1,20 1,2 2,00
~ Níquel Restante 58,00 35,50
Resistividade Elétrica - 20°C ohm.mm2/m 1,10 + 5% 1,12 + 5% 1,04 + 5%
Coeficiente de Expansão x 10/°C (20 A 100°C) 17,00 17,00 17,00
Condutibilidade Térmica a 20°C-Cal/Cm x Seg x °C 0,035 0,032 0,031
Calor Específico a 20°C-Cal/g x °C 0,11 0,11 0,12
Limite de Resistência a Tração (ø 0,813 mm) N/mm2 830 830 800
Ponto de Fusão Aproximado 1.400°C 1.390°C 1.390°C
A montagem das duas peças consiste em pôr a solenoide na parte central do
interior do tubo. Nesse primeiro momento, não foram projetados apoios para a
resistência nem os fios elétricos que sairão do tubo, afim de facilitar a montagem e
análise no software CFD. Assim, segue o modelo geral da montagem utilizada nas
análises, cuja geometria pode variar levemente a depender da análise feita.
96
Figura 17: Renderização da montagem do sistema
Figura 18: Visualização do sistema no ambiente do software de CFD
97
No ambiente do software CFD, o interior do tubo é preenchido por um volume
correspondente à água que atravessa a tubulação. Para se preparar a simulação, são
definidos os materiais de cada componente, a vazão e temperatura da água e a
potência de dissipação de calor na resistência. Definiremos como condição padrão do
experimento os parâmetros listados a seguir.
Tabela 16 - Tabela de parâmetros
Parâmetro Valor
Temperatura Ambiente 20ºC
Vazão volumétrica 8.7 l/min
Potência da Resistência 9000W
Pressão relativa na saída do tubo 0 psi
Temperatura de entrada de água do sistema
Em posse dessas condições, é possível iniciar as análises e comparar como
cada fator afeta a saída de água quente do sistema.
6.2.2.2. Variação da Potência
Conforme as condições iniciais expressas inicialmente, foram simulados os
escoamentos variando-se o valor da potência dissipada pela resistência elétrica. Foram
comparados os valores de 0 (resistência desligada), 1800, 6000 e 9000 Watts, cada um
deles para um tempo de funcionamento de 10 segundos do sistema. O tempo tomado
se justifica por ser considerado um intervalo de tempo suficiente para o sistema ser
acionado, entrar em funcionamento e poder ser analisado, sendo que na configuração
ideal a temperatura de saída de água já será alta o bastante para o usuário iniciar o
banho.
A seguir, serão vistos os principais resultados obtidos através da análise.
98
Figura 19 - Gradiente de Temperatura a 0W. Escala de 20 a 21.3ºC
Figura 20 - Gradiente de Temperatura a 6000W. Escala de 20 a 50ºC
99
Figura 21: Gradiente de Temperatura a 9000W. Escala de 20 a 50ºC
Tabela 17 - Temperaturas em função da a potência
Potência (W) 0 1800 6000 9000
Temperatura (ºC) 21,1 23,9 30,3 34,8
100
Gráfico 17 - Temperatura vs Potência
Da regressão linear obtida a partir dos dados experimentais (linha azul), obtemos
a função T = 0,0015W + 21,138. Comparando com o valor obtido através do modelo
simbólico, em vermelho, percebe-se que o modelo experimental se aproxima com
sucesso do valor predito, com diferenças representando as perdas de calor para o
ambiente e potência não transferida pela resistência. Tento incluir o valor da
temperatura e do tempo:
y = 0,0015x + 21,138
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0 2000 4000 6000 8000 10000
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Potência (Watts)
Temperatura x Potência
Linear (CálculoCFD)
Linear (Teórico 1lei)
101
6.2.2.3. Variação do Fluxo
Conforme feito anteriormente, foram simulados os escoamentos variando-se o
valor do fluxo de água que atravessa a tubulação. Foram comparados os valores de 3,
8.7, 6 e 12 litros/minuto, cada um deles para um tempo de funcionamento de 5
segundos do sistema e potência de 9000W. O valor de 3 litros/minuto foi escolhido por
se aproximar do funcionamento de um chuveiro elétrico em baixa vazão, enquanto o
valor de 12 litros/minuto se aproxima de um chuveiro a gás em alta vazão.
O tempo de análise foi ampliado para 10 segundos, pois uma menor vazão
requer um maior tempo para se certificar que os resultados de temperatura medidos na
saída da tubulação são fiéis ao que se está aquecendo na resistência elétrica. Espera-
se, com esses valores, poder traçar como é a variação de temperatura na saída do
sistema provida por uma alteração no fluxo de líquido.
Tabela 18 - Fluxos em função da Temperatura
Fluxo (l/min) 3 6 8,7 12
Temperatura
(ºC)
54,76 41,61 36,46 33,55
102
Gráfico 18 - Temperatura vs Fluxo
Assim, obtém-se a relação:
Supondo que o comportamento da curva se repita de forma semelhante para
outros valores de W, será feita uma aproximação afim de incluí-lo nesse valor.
Comparando o valor obtido com o predito através do modelo simbólico, vê-se
que a curva obtida a partir da regressão dos pontos se aproximado esperado. Espera-
se que a diferença entre os valores se dê, novamente, por conta de perdas de calor e
diminuição do rendimento.
y = 80,361x-0,359
0
10
20
30
40
50
60
70
0 2 4 6 8 10 12 14
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Fluxo (litros/minuto)
Temperatura vs Fluxo
Cálculo CFD
Teórico 1 Lei
Potência(Cálculo CFD)
Potência(Teórico 1 Lei)
103
6.2.2.4. Alteração do formato da resistência
Deseja-se verificar como a geometria da resistência influi sobre os resultados.
Desse modo, serão testadas as variações dos seguintes parâmetros: número de
espiras, diâmetro da hélice e comprimento da hélice.
O primeiro a ser testado foi a variação do número de espiras. Foi utilizada como
base um solenoide de 40 milímetros de diâmetro e 50 milímetros de comprimento. A
partir dela, foram criados diversos modelos que diferiam entre si somente pelo número
de espiras. Cada modelo foi testado no software CFD por 15 segundos para uma vazão
de 8.7 litros/minuto e 9000 Watts de potência no solenoide. Os resultados estão
apresentados a seguir.
Tabela 19 - Número de espiras por temperatura
Comprimento
(mm)
Número de
Espiras
Espiras/Unidade de
Comprimento (espiras/mm)
Temperatura
(ºC)
50 7 0,14 37,1434
50 9 0,18 52,9229
50 11 0,22 53,0511
50 15 0,3 50,1593
50 22 0,44 41,2282
50 30 0,6 38,6557
104
Gráfico 19 - Temperatura vs Espiras
Os pontos traçados foram aproximados por uma curva polinomial de grau 4.
Optou-se por utilizar como parâmetro o número de espiras por unidade de comprimento
por tornar o resultado mais universal. Percebe-se, logo em primeira vista, que há um
ponto de máximo próximo a 0,2 espiras por unidade de comprimento. A partir desse
valor, o incremento na quantidade de espiras provoca uma diminuição da temperatura
na saída da água. Acredita-se que tal fenômeno ocorra por esse valor permitir melhor
superfície de troca de calor entre espira e fluído.
No entanto, uma análise mais profunda demonstrará um dado alarmante sobre a
análise. Comparando os valores previstos pela 1ª Lei da Termodinâmica, a temperatura
máxima permitida para essas condições seria de 38.8ºC. Olhando o resultado, vê-se
uma predominância de dados que ultrapassam esse valor limite. Novamente
conversando com o Prof. Dr. Guenther Krieger Filho, ele afirmou que tal fenômeno pode
ser resultante de uma falha do software em perceber que uma determinada geometria
do solenoide pode não ser fisicamente capaz de transferir a potência imputada ao
sistema. Desse modo, a análise perde a verossimilhança física e seus resultados não
podem ser tomados como representativos da realidade.
y = -12606x4 + 19917x3 - 11176x2 + 2579,6x - 154,18
0
10
20
30
40
50
60
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Espiras por unidade de comprimento (espiras/milímetro)
Temperatura vs Espiras por unidade de comprimento
105
O próximo passo é testar o diâmetro do solenoide. As condições de teste foram
as mesmas do caso anterior, com a particularidade de se escolher uma resistência de 7
espiras e variar o seu diâmetro para os testes. Afim de se obter um resultado
adimensionalizado, buscou-se obter a relação entre a temperatura de saída e a razão
entre os diâmetros do solenoide e do tubo. Para tanto, foi escolhido o tubo de 90
milímetros de diâmetro externo, o qual possui 76,3 milímetros de diâmetro interno. Os
resultados obtidos estão a seguir.
Tabela 20 - Propriedades do solenoide vs Temperatura
Diâmetro solenoide
(mm)
Razão diâmetro
solenoide/tubo Temperatura(ºC)
20 0,26 39,25
30 0,39 41,24
40 0,52 37,14
50 0,66 58,83
60 0,79 41,54
Gráfico 20 - Propriedades do solenoide vs Temperatura
y = -11814x4 + 24590x3 - 18239x2 + 5706,2x - 593,56
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Razão Diametro/Tubo
Temperatura x Razão Diametro Solenoide/Tubo
106
Foi realizada uma regressão polinomial de terceira ordem para aproximar os
pontos obtidos de uma função. Percebe-se, à primeira vista, que há um ponto de
máximo próximo a uma razão diametral de aproximadamente 0,7. A partir desse valor, o
aumento ou diminuição do diâmetro do solenoide provoca uma diminuição da
temperatura na saída da água. Acredita-se que tal fenômeno ocorra por esse valor
representar aquele que permite melhor volume de troca de calor entre espira e fluído.
No entanto, mais uma vez a análise apresenta valores que quebram a primeira lei.
Diante do exposto, optou-se por desconsiderar os resultados encontrados na
análise da geometria do solenoide, e não prosseguir nessa análise via software CFD. A
análise do software teve sim como valor demonstrar que há uma variação na
temperatura final a depender da geometria do resistor, mas não há confiabilidade em
afirmar que as relações encontradas representam a realidade.
6.2.2.5. Alteração do diâmetro do tubo
Deseja-se verificar como a geometria do tubo influi sobre os resultados. Desse
modo, serão testadas as variações dos seguintes parâmetros: diâmetro do tubo e
comprimento do tubo. Todos os testes a seguir foram rodados nas condições padrões
de experimento.
A variação do comprimento foi realizada a partir de três testes em iguais
condições de contorno com valores diferentes de comprimento do tubo. A solenoide foi
mantida na mesma posição em relação a face de entrada, sendo que a variação de
comprimento foi na face de saída. Os resultados seguem na tabela abaixo.
Tabela 21 - Comprimento vs Temperatura
Comprimento (mm) 180 120 90
Temperatura (ºC) 34,8 36,8 37,1
107
Gráfico 21 - Tamanho vs Temperatura
Os testes mostraram que, quanto maior o comprimento, menor a temperatura na
saída da água. No entanto, esse resultado é mais relacionado com a posição do
solenoide dentro do tubo do que com o comprimento em si, ou seja, quanto mais
próximo a saída da água está a resistência, menor vai ser a troca de calor do liquido
quente com o tubo e mais quente a água chegará ao usuário. Sendo assim, a
determinação do tamanho do tubo levará mais em conta as propriedades mecânicas do
material (se ele será capaz de se sustentar na parede) do que por especificações
termodinâmicas.
A última análise feita foi em relação ao diâmetro do tubo. Foram variados os
diâmetros do tubo para as condições padrões de testes e para um solenoide de 40mm
de diâmetro. Optou-se por na hora de calcular a relação entre diâmetro do tubo e
temperatura adimensionalizar esse valor pela relação diâmetro do solenoide dividido
pelo diâmetro interno do tubo. O resultado dos testes segue na tabela abaixo.
34,5
35
35,5
36
36,5
37
37,5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Títu
lo d
o E
ixo
Título do Eixo
Tamanho do Tubo
108
Tabela 22 - Diâmetro vs Temperatura
Diâmetro Externo
(mm)
Diâmetro Interno
(mm)
Relação Diâmetro
Solenoide/Tubo
Temperatura de
Saída da Agua
(ºC)
60 43,6 0,917431 35,2
70 53,6 0,746269 35,5
90 73,6 0,543478 34,8
110 93,6 0,42735 33,8
Gráfico 22 - Razão vs Temperatura
O gráfico aponta para o fato de que há uma relação ideal entre diâmetro do tubo
e do solenoide, que se estaria por volta dos 0,7. No entanto, nota-se que para valores
entre 0,6 e 0,9 não houve uma variação tão significativa na temperatura (máximo 0,8
ºC), sendo a variação mais significativa quando passamos a ter um tubo de diâmetro
muito maior que a solenoide. Sendo assim, o aprendizado que se obtém da análise é
33,6
33,8
34
34,2
34,4
34,6
34,8
35
35,2
35,4
35,6
35,8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Razão Diametro Solenoide/Tubo
Razão Diametro Solenoide/Tubo vs Temperatura
109
que a influência do diâmetro do tubo sobre a temperatura de saída da água é de uma
baixa ordem de grandeza, contanto que se atenha ao fato de que o diâmetro do
solenoide deve possuir uma área capaz de atender o fluxo passante.
6.2.2. Análise de sensibilidade do controle
6.2.2.1. Sistema de controle
O dispositivo precisa manter a temperatura da água em contato com o usuário
dentro de um valor aceitável para o banho, sendo o resistor do sistema de aquecimento
o responsável por aquecer rapidamente a água fria presente no encanamento no
momento de início do banho. No entanto, o aumento gradativo da temperatura de
entrada da água faz com que o resistor tenha que gradualmente operar à uma menor
potência para atingir a temperatura desejada, tornando-se necessário diminuir a
passagem de corrente pelo resistor. O objetivo do sistema de controle é garantir que o
aquecimento seja aquele necessário para manter a temperatura dentro de um intervalo
adequado para o banho, garantindo conforto e provendo maior eficiência energética ao
sistema.
Segue uma ilustração das entradas e saídas do sistema de controle.
Figura 22 - Entradas e saídas do sistema de controle
110
Como o modo de o gás aquecer a água depende da instalação de cada
residência, é inviável determinar uma curva de aquecimento da água em função do
tempo sem requerer a aproximações com alto nível de imprecisão. A variável a ser
usada como parâmetro para o algoritmo de controle será, portanto, a temperatura de
entrada da água no dispositivo. De posse desse dado, é possível determinar a potência
necessária para aquecer a água até a temperatura desejada ao passar pelo circuito
projetado.
A outra entrada do sistema relaciona-se à forma de operação do dispositivo, que
se assemelha à de um chuveiro elétrico. O sistema deverá funcionar com corrente
alternada, visto ser aquela comumente disponível nas residências. Tal requerimento se
torna um empecilho, já que os circuitos de sistemas de controle utilizam corrente
contínuas no seu funcionamento e o sistema escolhido para o produto final deverá se
adaptar a isso.
Quanto à modulação da corrente alternada, ela variará com o método de controle
escolhido, mas está diretamente ligada à potência. Ambas saídas do sistema serão
determinadas pelo algoritmo de controle, que tem como objetivo determinar a potência
necessária para aquecer a água.
Após o levantamento das entradas e saídas, é possível determinar os
parâmetros que determinam o funcionamento do sistema de controle e influenciam a
potência que o esse sistema fornece ao sistema de aquecimento, sua principal saída.
São eles:
Método e Componentes de Controle
Algoritmo de Controle
Corrente Alternada de entrada
Valor de Temperatura
A análise dos parâmetros procura demonstrar o efeito da variação de cada um
sobre a potência de saída.
111
6.2.2.2. Escolha do método e componentes de controle
Para a escolha do método de controle que seria utilizado no produto final,
levantou-se algumas possibilidades por meio de pesquisas e consultou-se um professor
do departamento de automação e controle da Escola Politécnica da USP. Apresentadas
as ideias, o professor recomendou que fosse escolhido o uso de um sistema conhecido
como triodo para corrente alternada (triode for alternate current – TRIAC). Esse sistema
é comumente utilizado para o controle de equipamentos que operam com corrente
alternada em altas voltagens.
Um TRIAC é composto pela associação de duas unidades de um componente
denominado diodo controlado de silício (Silicon-Controlled Rectifier – SCR). O SCR é
um diodo formado por 4 camadas de semicondutores devidamente dopadas, e tem a
função de permitir a passagem de corrente em um único sentido de forma controlada.
Esse componente normalmente opera em corrente contínua e para formar o TRIAC, as
duas unidades são montadas de forma anti-paralela, conforme esquematizado
simplificadamente abaixo. Essa configuração de diodos permite que o circuito opere em
corrente alternada.
Figura 23 - Funcionamento de um TRAIAC
A operação em corrente alternada é importante para garantir o funcionamento do
dispositivo e geração de potência, uma vez que é a fonte de energia disponível nas
112
residências. Os componentes escolhidos deverão também ser dimensionados para
operar na alta voltagem requerida pelo chuveiro.
Componentes acessórios, como disjuntores, podem ser adicionados para
garantir a segurança do usuário.
6.2.2.3. Corrente Alternada e o Algoritmo de controle
O algoritmo de controle tem o papel de, através das propriedades do sistema
TRIAC, regular a corrente que passará pelo dispositivo e assim regular a potência. O
sistema opera da seguinte maneira, ilustrado pela figura que segue:
A placa de controle pode ativar o TRIAC através de um pulso no portão GATE a
qualquer instante depois de um tempo t1 programável e o sistema é desativado sempre
que a corrente passa por zero. Ele pode ser reativado depois de um tempo t3, também
programável.
O valor da potência está diretamente ligado à tensão aplicada na resistência,
relação dada pela equação:
Assim, controlando a corrente que passa na resistência ao longo do tempo de
um período da sua função, é possível controlar a potência efetiva ao longo do dito
tempo. A frequência das redes residenciais é de 60 Hz, o que representa um período
extremamente pequeno, de tal forma que a mudança do valor de potência é
aproximadamente contínua.
113
Gráfico 23 - Variação da voltagem no sistema SCR
Esse sistema de controle foi recomendado pelo professor de automação e
controle consultado durante a etapa de pesquisa. Foi apontado que o equacionamento
do problema e a redação do código são possíveis com os conhecimentos de alunos de
graduação, mas levariam cerca de 20 dias para serem concretizados. Dentro da
realidade do projeto e da equipe, não houve tempo hábil para desenvolver essas
etapas, mas sua viabilidade foi conferida e existem exemplos de códigos para
aplicações semelhantes, como o para sistema Arduino em anexo.
Um equacionamento simplificado para a potência média de saída no espaço de
meio-período da função corrente está explicitado abaixo:
∫
*(
) (
)+
114
6.2.2.4. Valor de temperatura
Usando o modelo termodinâmico adotado na análise de sensibilidade,
novamente ilustrado pela equação abaixo, temos a relação entre a potência necessária
para aquecer a água e a temperatura final:
O sistema de controle recebe a informação de temperatura a cada instante, a
partir da qual é possível calcular a potência necessária para aquecer a água. Essa
informação permite ao sistema, através do algoritmo, determinar o valor de corrente que
passará para a resistência e efetivamente aquecer a água.
Supondo que a potência elétrica recebida se transfira na forma integral para o
líquido, o equacionamento completo se torna então:
*(
) (
)+
Torna-se possível, através de métodos numéricos, encontrar o parâmetro de
controle a partir da temperatura lida pelo sensor. Desse modo, ficam determinadas
todas as relações entre as entradas e saídas do sistema de controle.
6.3. Análise de Compatibilidade
A análise de compatibilidade tem como objetivo garantir que o mecanismo
funcione de forma harmônica, permitindo que um subsistema não prejudique o
desempenho de outro a fim de não comprometer a ação total do mecanismo. A análise
de compatibilidade divide-se em três partes: funcional, material, dimensional. A seguir,
seguem a descrição de cada uma delas.
115
6.3.1. Compatibilidade Funcional Figura 24 - Divisão de sistemas
Tabela 23 - Entradas e saídas de cada subsistema
Ambos os sistemas que compõem o produto são mecanicamente simples, onde
apenas resistência, tubulação e controle de temperatura são necessários para fazer o
mecanismo desempenhar sua função do aquecimento de água. Desse modo, a sintonia
entre entradas e saídas garantem que os valores de saída do subsistema de
aquecimento sejam codificados pelo sistema de controle, tomando como exceção os
casos de baixa qualidade do sensor, controlador e da placa de processamento ou a
ocorrência de instabilidades.
A entrada de ambos subsistemas é água a temperatura T1. Conforme a temperatura
de entrada do sistema de aquecimento for atingindo a temperatura correta, o sistema
de controle enviará uma sinal que será tanto a saída do sistema de controle como a
segunda entrada do sistema de aquecimento, como especificado pela Tabela x. Dessa
116
maneira a saída do sistema de aquecimento será a temperatura desejada e a ordem
enviada do microcontrolador para a resistência será de diminuição de potência até que
ocorra o desligamento.
A fim de garantir o funcionamento do sistema de aquecimento por meio de
resistência, exemplificamos o mecanismo com algumas patentes que utilizam o mesmo
recurso.
WO 2012051691 A2 – Mostra a possibilidade de esquentar água quente por
meio de uma tubulação com resistência, e a possibilidade de otimizar os gastos de
energia que poderão ser estudados como uma forma de melhoria do projeto.
US 8,150,340 - Patente de unidade inteligente para chuveiro. Ponto interessante:
controle de temperatura realizado gradualmente, ao contrário do nosso, e transmissão
da medição para a unidade de controle via rádio.
Figura 25 - Sensor de temperatura que envia leitura via rádio para unidade de controle
US 8,629,378 - Patente de controlador de aquecimento. Verifica constantemente
as temperaturas do dispositivo aquecedor e do ambiente/corpo aquecido, armazenando
os dados e controlando a potência do aquecedor da forma mais eficiente. Demonstra
que é possível que haja um chuveiro onde a temperatura se mantenha constante
mesmo havendo mistura de aquecimento elétrico e a gás.
117
Figura 26 - Esquema de blocos, pontos 3 e 4 são sensores de temperatura e 8 é a unidade de
aquecimento.
6.3.2. Compatibilidade de Material
A resistência tradicional de níquel-cromo já encontrada no mercado é a melhor
escolha de material para esse fim. Além do Níquel e do Cromo serem substâncias
adicionas para a regeneração de um metal qualquer que esteja sofrendo corrosão, a
liga ainda possui elevado grau de condutividade térmica cumprindo bem seu papel. As
simulações da análise de sensibilidade seguiram o padrão do mercado e quando
comparado a outros materiais para constituir a resistência, essa ainda é a melhor
solução.
Quanto ao material do tubo, foi escolhido justamente o PPR por resistir a altas
temperaturas, assim como a facilidade de manuseio e o menor número de impactos
ambientais que o PVC, como foi descrito na análise ambiental do Estudo de Viabilidade.
Dessa forma o material atende ao requisito de transportar água a elevadas
temperaturas pela tubulação.
118
6.3.3. Compatibilidade Dimensional
As imagens a seguir ilustram o desenvolvimento do mecanismo em CAD.
Vale ressaltar que as medidas do CAD são suficientes para garantir a
compatibilidade dimensional entre os encaixes. Além disso o tamanho do
tubo será padrão ao dos encanamentos de São Paulo, sendo assim será
possível acoplar o mecanismo maior número possível de chuveiros.
Figura 27 - Imagens do CAD
6.4 Análise de estabilidade
A análise de estabilidade tem como função avaliar como o dispositivo responde a
entradas anormais e condições do meio ambiente. O desempenho de qualquer produto
é afetado por alterações nas suas variáveis de entrada e pelas condições do meio
ambiente. A fim de se evitar saídas indesejáveis ou quebra do dispositivo, o sistema
projetado deverá responder adequadamente a essas variações acidentais de modo a
voltar ao equilíbrio original. Para tanto, é necessário estabelecer faixas de valores para
as quais essas perturbações serão toleradas, de modo ao produto operar de forma
prevista e com segurança.
119
A instabilidade pode afetar o funcionamento de somente um dos subconjuntos ou
componentes do produto, ou pode estar relacionada a interação dos vários subsistemas
que compõem o produto. Ou seja, o objetivo da análise da análise de estabilidade é
estudar o sistema de modo a:
Certificar-se de que o sistema como um todo, assim como seus subconjuntos, é
intrinsecamente estável;
Determinar as faixas de instabilidade dentro do campo de variação dos
parâmetros do projeto de modo a poder evitá-las;
Avaliar os riscos e consequências das perturbações que podem causar
disfunções no produto.
A partir dessa linha de pensamento, seguem listadas as perturbações possíveis
para o produto em desenvolvimento.
6.4.1. Pressão excessiva em razão do fluxo de água na tubulação
Ao se estudar fenômenos de escoamento transitórios em condutos, deu-se principal
atenção ao “golpe de aríete”; uma onda ou pico de pressão causado quando um fluido
em movimento é forçado a parar ou mudar de direção repentinamente (variação brusca
de momento). O golpe de aríete ocorre geralmente quando uma válvula fecha
repentinamente na extremidade de saída de um sistema de condutos.
Durante o fenômeno do golpe de aríete, a pressão pode atingir níveis elevados, de
forma a causar sérios danos ao conduto e aos dispositivos sensíveis nele instalados,
como o sensor térmico do produto, por exemplo.
O primeiro passo para a solução deste problema é o desenvolvimento de cálculos
que descrevam a evolução da vazão e da pressão, durante a ocorrência do fenômeno,
ao longo de toda uma tubulação, de acordo com a variação do tempo, bem como a
indicação das pressões máximas e mínimas previsíveis, levando em conta os
componentes presentes no sistema, de modo a se determinar corretamente as classes
de pressão necessárias para a tubulação. Após esta modelagem do fenômeno, é
possível definir, para a tubulação em questão, quais os dispositivos de proteção mais
adequados.
120
Dentre os métodos mais recorrentes, pode-se citar a redução da velocidade do
líquido através do aumento do diâmetro do conduto, bem como a utilização de
cotovelos no lugar de tubos retos. Em geral, com relação à alteração da velocidade,
esta pode ser modificada em função da variação dos parâmetros que a influenciam,
vide
c: celeridade da onda de pressão (m/s);
D: diâmetro da tubulação (m);
e: espessura da tubulação (m);
k: coeficiente que leva em consideração o módulo de elasticidade do material.
Também é possível abordar o problema aumentando o tempo de fechamento das
válvulas de descarga ou instalando câmaras de ar comprimido que amorteçam o
impacto do golpe. Além disso, válvulas de ar são comumente utilizadas com o intuito de
alterar pressões em pontos críticos da tubulação.
6.4.2. Elevada variação repentina da voltagem
Deve ser levado em consideração o risco de choque elétrico; mesmo com a
instalação em ordem e o sistema aterrado, até os chuveiros elétricos que usam
resistências blindadas oferecem esse risco. Para analisar este problema, foi usado
como base, o funcionamento dos chuveiros híbridos. Dessa forma, foram estudados os
meios mais recorrentes para lidar com a possibilidade de choques elétricos. Essa
preocupação levou a ABNT a adotar os dispositivos de controle de fuga de corrente; de
modo que quando uma descarga se precipita no chuveiro, o dispositivo se encarrega de
acusar e desviar o excesso de carga do sistema, evitando o choque.
121
Este é o meio de controle mais comum, no entanto, também há a possibilidade de
variação eletrônica da resistência equivalente do chuveiro elétrico. A princípio uma ideia
inovadora, alterar a resistência do chuveiro sem chave mecânica e com variações
contínuas, permitindo a variação de potência sem ter de ajustar a quantidade de água.
Essa variação eletrônica da resistência é obtida com o uso de um gradador, um circuito
formado por dois tiristores conectados em antiparalelo ou um triac. Este último, por sua
vez, é um dispositivo formado por dois tiristores conectados em antiparalelo.
6.4.3. Presença de bolhas de ar na tubulação
Geralmente quando falta água por um período prolongado, ou o chuveiro fica sem
uso por algum tempo, formam-se bolhas de ar que bloqueiam a saída da água na
tubulação hidráulica.
Este fenômeno é chamado de cavitação, formação de bolhas de ar quando a
pressão absoluta em um determinado ponto se reduz aos valores abaixo de um certo
limite físico-químico da água, formando bolhas dentro da corrente de ar. Uma outra
fonte corrente de presença de ar na tubulação tem ocorrido com maior frequência nos
tempos atuais, decorrente do desabastecimento de água na cidade de São Paulo.
Analisando este problema em relação ao sistema do chuveiro elétrico, sabe-se que a
formação de bolhas de ar pode interromper o fluxo de água quente na tubulação
hidráulica de distribuição, na interligação do equipamento, no coletor e no reservatório
térmico, provocando queda no rendimento do sistema ou podendo até mesmo impedi-lo
de funcionar.
Uma boa solução, já popularmente adotada para tubulações de chuveiros elétricos, é
acoplar nos pontos mais altos e de inflexão da tubulação, válvulas conhecidas por
ventosas, que permitem a saída do ar, desde que a pressão na canalização seja maior
do que a pressão atmosférica.
6.4.4. Presença de materiais sólidos, impurezas, na água
Os equipamentos hidráulicos trabalham a elevados valores de pressões e
velocidades, sendo sistemas bastante sensíveis. Necessitam, portanto, de inspeção
contínua do desempenho e do estado de conservação, além de ser obrigatória a
limpeza. Portanto, para garantir uma boa instalação, inspeção e manutenção, é
122
necessário dar uma atenção especial à limpeza do equipamento e da área onde será
efetuada a instalação, isso reduz a possibilidade de contaminação ambiental,
eliminando as impurezas que penetrariam no sistema hidráulico.
A contaminação é o ponto crucial do depósito de impurezas. É comum que isto
ocorra durante os processos de fabricação dos componentes, a montagem do sistema,
o abastecimento, e, inclusive, durante a manutenção, devido à provável de gradação
dos componentes. Isso porque, a contaminação em sistemas hidráulicos causa, em
geral: desgastes, emperramentos e obstrução de orifícios. Com isso o sistema tem seu
desempenho prejudicado, perda de potência, operação irregular, queda de pressão,
vazamentos internos, elevação da temperatura, riscos de acidentes e até a degradação
dos componentes. Além disso, um contaminante circulando na tubulação resulta em
desgaste de um componente; que por sua vez gera novos contaminantes que,
provocam uma “reação em cadeia” na formação de novos pontos de contaminação no
circuito hidráulico.
O custo de não se atentar à limpeza e a contaminação do sistema hidráulico é muito
grande em termos de manutenção, substituição e reposição de componentes, tempo de
parada e perda de produção. Este problema é recorrente para toda a tubulação,
claramente, não apenas para nosso produto que será acoplado a ela, uma vez que a
obstrução de um trecho influenciaria no sistema todo.
6.4.5. Evaporação da água devido à resistência
Ao estudar o risco de evaporação d‟água na tubulação devido à resistência, foi
levado em consideração o chuveiro elétrico como modelo pré-existente para
comparação. Neste dispositivo há, basicamente, uma chave liga/desliga, um comutador
de temperatura e um pressostato. A função do pressostato é impedir que a resistência
fique funcionando sem fluxo de água, o que ocasionaria um sobreaquecimento que,
após a evaporação da água parada dentro do chuveiro, derreteria as partes plásticas e
fundiria a resistência.
Sendo assim, a evaporação da água deve ser evitada, uma vez que o eventual
derretimento da tubulação e/ou fundição da resistência, além de ser crucialmente
123
danosos para o produto, trazem riscos de segurança ao usuário. Dessa forma, o foi
analisado o uso de pressostato de dois contatos no produto desenvolvido pelo grupo.
6.4.6. Entrada de água muito fria ou muito quente
É notável, durante o uso cotidiano de chuveiros, que ao ligar o equipamento com o
comando de água quente, os primeiros fluxos d‟água que correm são de água fria, até
que esta esteja na temperatura quista pelo usuário; este foi o princípio utilizado para o
desenvolvimento do nosso produto inicialmente. No entanto, nota-se também que ao se
ligar o chuveiro em um intervalo de tempo pequeno após o uso deste por outro usuário;
fluxo d‟água demora menos tempo para atingir a temperatura desejada, uma vez que
começa a correr com uma temperatura maior do que de costume.
Isso é determinado pela potência da resistência do chuveiro. A resistência tem
capacidade de elevar a temperatura da água uma quantidade máxima de graus, ou
seja, se a água vem mais fria, sai mais fria, e se chega mais quente, também sai mais
quente, analogamente.
Dessa forma, concluiu-se que a melhor solução para tal seria focar no controle da
potência fornecida pela resistência; por isso o estudo minucioso feito na análise de
sensibilidade do controle. Em função desta variação de temperatura inicial,
primeiramente foi considerada a sensibilidade do sensor térmico, de forma a captar a
temperatura ótima, mesmo que esta ocorra em um pequeno intervalo de tempo.
6.4.7. Características físico-químicas do material utilizado na tubulação (PPR)
As características físico-químicas do material usado na tubulação, no caso PPR,
são outra função crítica do produto. Os Tubos e Conexões PPR-3 Nicoll são estimados
às instalações hidráulicas em edifícios, com três classes de pressão PN20 e PN25 para
temperatura até 80ºC e PN12,5 para temperatura até 20ºC. As vantagens e motivos
principais pelos quais escolhemos este material são:
Resistência à agressão de impurezas, suportando substâncias químicas com um
valor de PH entre 1 e 14, faixa consideravelmente ampla;
Resistência à água quente e à pressão da água;
124
Potabilidade da água transportada; a atoxicidade certificada da matéria-prima
Nicoll garante um alto nível de potabilidade.
Água quente em menos tempo; o PPR-3 é um excelente isolante térmico,
reduzindo a perda calórica da água transportada. Assim, economiza-se energia e
maximiza-se o conforto, evitando condensação nas paredes por onde a
tubulação está embutida.
Resistência ao impacto; a elasticidade do produto garante alta resistência ao
impacto, preservando as tubulações tanto no uso (golpe de aríete, comentado no
primeiro item da análise de estabilidade) como no transporte, armazenagem e
manuseio da tubulação;
Instalações mais silenciosas; a fonoabsorção e a elasticidade do PPR-3
diminuem consideravelmente a propagação dos ruídos e vibrações da passagem
da água e do ruído provocado pelo fenômeno do golpe de aríete;
Imune a correntes eletrolíticas; o PPR-3 não é um condutor elétrico, por isso não
é afetado pelo ataque das correntes galvânicas.
Mínima perda de carga; por terem paredes internas extremamente lisas,
proporcionam uma instalação sem necessidade de redução do diâmetro da
tubulação ao longo do tempo.
Alta resistência à baixas temperaturas; o sistema de termofusão é altamente
resistente aos esforços gerados pelo possível congelamento da água contida, no
caso de danos no sistema de proteção térmica.
6.5. Otimização
A otimização consiste no processo de definição, entre as várias configurações
possíveis do sistema, dos valores dos parâmetros que aproximem o sistema de uma
configuração ótima. A partir das relações descritas entre os parâmetros e as saídas dos
subsistemas do produto nas análises de sensibilidade e compatibilidade, torna-se
possível escolher os valores para os parâmetros que levem a uma maior eficiência no
aquecimento da água e seu controle. O processo de otimização será feito a partir de
testes e iterações sucessivas, tanto no protótipo quanto no modelo computacional.
125
Espera-se, de forma exaustiva e intuitiva, obter uma versão final do protótipo que
melhor se aproxime de uma condição ideal.
Dos modelos teóricos, tornou-se possível a conclusão de que os principais
parâmetros capazes de definir qual a temperatura de saída da água no tubo são a
vazão de água e a potência fornecida ao solenoide. Os parâmetros geométricos, no que
tange ao solenoide e ao tubo, têm a capacidade de diminuir as perdas do sistema e
aumentar a sua eficiência, aproximando-a dos valores teorizados pela primeira lei.
Os primeiros parâmetros de otimização escolhidos foram o binômio fluxo-
potência. Baseado no caso da primeira lei, estima-se que a relação entre o fluxo e a
potência para as condições desejadas do sistema seja aproximadamente
. Desse modo, torna-se claro que a cada 1 litro por minuto de vazão reduzida,
possibilita-se a redução de 1260 Watts. Baseado no fato de que um banho de chuveiro
elétrico possui uma vazão média de 3 a 4 litros por minuto, enquanto o chuveiro a gás
de 9 a 10, escolheremos um valor médio de 6litros/minuto de vazão. Estimando a
potência através das formulas encontradas na análise de sensibilidade no tempo t=0 e
temperatura ambiente 20ºC:
Tabela 24 - Equações
Equação Fórmula Potência (Watts)
1ª Lei
7560
Derivação da Variação de
Potência no CFD
8912
Derivação da Variação de
Fluxo no CFD
8650
Tirando a média dos três valores, a potência estimada para o sistema é de 8300
Watts. Arredondando, escolheremos uma potência na faixa de 8000 Watts como valor
para a potência no sistema.
126
Diante da dificuldade de mensurar os efeitos das alterações geométricas do
solenoide, tanto pela complexidade do modelo teórico quanto por incongruências no
resultado das análises computacionais, o método de otimização idealizado seria via
testes físicos com os solenoides já presentes no mercado. Por conta de os solenoides
já virem na hora da venda especificadas conforme sua faixa de potência, o modelo de
testes para otimização seria comprar solenoides de potência na faixa dos 8000 watts de
diferentes geometrias e testar a eficiência de cada uma delas. Por meio de um processo
de otimização formal, seria escolhido o modelo que melhor se adeque ao sistema. Visto
também que não há intenção de fabricação da própria do solenoide, esse modelo de
otimização tem a utilidade de permitir a escolha do modelo que será solicitado aos
fornecedores.
O comprimento do tubo ficou fixado em 90 milímetros, garantido um comprimento
longo o bastante para caber a solenoide e para ser manuseado pelo usuário com
facilidade, sem afetar o desempenho do produto final. A escolha do diâmetro do tubo foi
pautada em dois principais critérios. O primeiro deles foi feito a partir da análise de
sensibilidade, pautando uma geometria que fornecesse maior eficiência ao produto. O
segundo critério, de maior peso, foi a partir da compatibilidade entre a ligação do
sistema com a tubulação de água para chuveiro. Por conta de a maioria dos chuveiros
trabalharem com uma tubulação de ½‟‟(12,7 mm) de diâmetro nominal (próximo ao
diâmetro interno), procurou-se trabalhar com valores de diâmetro que estivessem
próximos a esse valor de saída. Sendo assim, o valor escolhido para o diâmetro
nominal do tubo foi de 1‟‟ (27,4 mm), o que equivale a um tubo de diâmetro externo de
32 milímetros.
Afim de se garantir a compatibilidade tubo-dispositivo e dispositivo-chuveiro, as
extremidades do mecanismo possuem em um lado uma entrada “fêmea” rosqueada de
½‟‟ (conexão chuveiro) e do outro uma entrada “macho” rosqueada de ½‟‟ (conexão
tubulação). A ideia é que esses dois adaptadores sejam também rosqueados ao tubo,
permitindo a sua substituição caso haja incompatibilidade da tubulação do cliente com o
valor esperado. Além do mais, na hora da venda o adaptador pode ser trocado por uma
saída de chuveiro, permitindo que o produto seja comercializado tanto como adaptador
127
de chuveiros a gás para o modelo híbrido quanto como um chuveiro híbrido na sua
completude.
Figura 28 - Adaptador "Macho" - Entrada Chuveiro
Figura 29: Adaptador "Fêmea" - Entrada Tubulação
Além dessas definições, optou-se por acoplar uma caixa externamente ao tubo
em que se localizaria o sistema de controle. As dimensões da caixa foram estimadas
em 20x20x10 milímetros, mas essas dimensões poderão ser melhor ajustadas quando
a circuitaria final do sistema de controle estiver pronta (em etapas mais posteriores do
desenvolvimento do produto) e já na sua forma mais compacta. Essa caixa ficaria na
superfície externa do cilindro, próxima a face saída de água do tubo (sem adaptadores).
A fiação para a solenoide sairia debaixo dessa caixa, a qual estaria vedada por meio de
processo de termofusão. Na face de saída também haverá um suporte para solenoide,
o qual possuirá dois terminais energizados que transferirão energia para a resistência.
128
A posição do suporte tem como função permitir a troca da resistência em caso de
queima. Abaixo, segue a visualização do tubo com a caixa e suporte do solenoide.
Figura 30 - Figura 30: Representação do Tubo
Figura 31: Montagem do tubo com o solenoide
Por fim, segue a montagem final do sistema e uma visualização dele acoplado a
um chuveiro.
129
Figura 32 - Montagem Final do Produto
Figura 33 - Visualização do sistema montado no chuveiro
130
Figura 34 - Zoom da ligação dos tubos
Figura 35: Vista que o usuário teria do sistema
131
6.6. Prototipagem
6.6.1. Conceito
Prototipagem é a prática de construir manifestações físicas ou virtuais de
conceitos, objetivando testar sua viabilidade e difundir ideias (GERBER, 2009).
Protótipos são representações concretas de partes ou da completude de um sistema
interativo. São artefatos tangíveis, não descrições abstratas que demandam
interpretação (BEAUDOUIN-LAFON, 2003). O objetivo por trás da prototipação, no caso
em questão, está relacionando principalmente a uma melhora no entendimento do
produto e na obtenção de dados mais confiáveis para embasar as análises feitas. Uma
simulação numérica, na maioria dos casos, não produz conteúdo com confiabilidade
satisfatória para que se desenvolva integralmente um produto a ponto de o colocar
mercado. Esses ensaios, sob condições bem controladas, irão verificar o funcionamento
adequado do produto e retificar as análises de sensibilidade, compatibilidade e
estabilidade e a otimização.
A prototipação consiste no desenvolvimento e o teste do produto propriamente
dito. Essa etapa da do projeto básico é de extrema importância, pois permite a geração
de novas informações que irão proporcionar um desenvolvimento e um
aperfeiçoamento do produto, além de indiciar possíveis fontes de falhas. Os desafios
em criar um modelo físico de um produto em desenvolvimento tornam necessários o
dispêndio de maior tempo e dinheiro, quando comparados aos modelos teóricos e
analíticos. Desse modo, suas etapas e testes devem ser cuidadosamente selecionados
para que não haja desperdícios e se obtenham resultados confiáveis.
132
Figura 36 - Design Thinking
Afim de auxiliar o processo de prototipagem, utilizamos como base de apoio a
metodologia do Design Thinking. O Design Thinking é uma metodologia de
desenvolvimento de produtos centrado em uma abordagem mais humana para a
inovação, pois integra a necessidade do usuário, as possibilidades de tecnologia e as
exigências para um negócio de sucesso (IDE15). Um dos grandes focos dessa
metodologia consiste na prototipação rápida e precoce, que significa na fabricação de
diversos protótipos em curtos intervalos de tempo para conhecer os seus defeitos
desde cedo, ao invés de uma análise mais profunda somente nos estágios finais do
projeto. A metodologia propõe, para os modelos físicos iniciais, que o desenvolvedor
foque na prototipagem de funções críticas ao invés da solução como um todo. Isso
garante agilidade na prototipagem e permite uma avaliação desde cedo da viabilidade
da solução em análise. No caso em questão, como se deseja prototipar um aquecedor
de passagem com aquecimento elétrico e com um controle eletrônico da temperatura, o
objetivo será testar as suas duas funções críticas ao invés de se preocupar com forma,
estética e quaisquer outros subsistemas da solução.
133
6.6.2. Programa de desenvolvimento
6.6.2.1. Definição da função crítica
Primeiramente, o grupo definiu as funções críticas mais significantes do produto
final para serem testadas no protótipo. Definiu-se, portanto, duas delas:
1) Aquecimento da água através do calor transferido pela resistência;
2) Controle do fornecimento da potência para a resistência, realizado através de
uma placa configurada e um TRIAC.
6.6.2.2. Modelos elaborados
Para se testar as funções citadas acima, foi definido um mecanismo que
facilitaria a prototipação rápida e que produziria resultados confiáveis para uma análise
posterior. Certas preocupações, como a que diz que a resistência deveria sempre estar
em total contato com a água, foram devidamente consideradas para a definição do
modelo que seria utilizado.
Com isso, chegou-se ao modelo de vasos comunicantes em “U”, conforme
esquematizado abaixo.
Figura 37 - Esquema simplificado do protótipo
134
No esquema, a entrada do fluxo de água ocorre através do tubo 1 e a saída
através do tubo 4. A resistência estaria na tubulação 2, garantindo que esteja sempre
imersa no fluxo de água, e o sensor de temperatura e seus respectivos controles de
preferência no início do canal 3. Portanto, a partir do momento que se libera o fluxo, é
possível medir a temperatura (através de um termômetro localizado no bocal final 4) da
água e verificar a função crítica 1 e, quando atingir a temperatura programada, checar
que ela não variará mais, confirmando a função crítica 2.
Com uma reunião realizada com Prof. Dr. Bruno Albertinni, foi constado que o
modelo elaborado anteriormente pelo grupo não seria de fácil fabricação e teste,
portanto foi considerada a sua dica de utilizar um contator que, ao invés de variar a
potência da resistência linearmente, faz com que ele não forneça voltagem à resistência
a partir de uma temperatura pré-programada, mas volte a fornecer caso a temperatura
atinja um valor inferior a essa. Por exemplo, caso se programe uma temperatura de
25°C para uma água que entra a 23°C, a resistência estará transferindo calor a uma
potência de valor único. Quando a água atinge esses 25°C, o contator desliga o
fornecimento de energia para a resistência, a qual desligará e só voltará a funcionar à
medida que a água atingir um valor de temperatura inferior ao estabelecido.
6.6.2.3. Materiais utilizados
A tabela abaixo indica os materiais utilizados para a fabricação do modelo
simplificado citado acima. Diante da dificuldade de encontrar os materiais conforme
especificados no estudo de viabilidade, algumas adaptações tiveram de ser feitas,
como a substituição do material do cano do PPR por PVC. Em outros casos, os
componentes escolhidos não puderam seguir à risca o especificado na parte de
otimização, mas as adaptações feitas buscaram sempre não descaracterizar o sistema
em questão.
135
Tabela 25 - Materiais utilizados no protótipo
Componente Material Função Sofreu Alteração?
Tubos PVC Transportar o
fluxo de água Sim, troca do material.
Conexões da
tubulação PVC
Conectar a
tubulação
nos ângulos
determinados
Sim, troca do material.
Resistência
Liga de
Níquel-
Cromo
Aquecer a
água
Sim. A potência calculada no
estudo de viabilidade mostrou-se
inviável para uma variação de
temperatura desejável
Componentes de
controle
"Estator e
termostato"
Medir a
temperatura
da água e
desligar a
resistência
Sim. Como citado acima, devido a
indicações do Professor
6.6.2.4. Testes
Parâmetros de segurança:
Preocupados com a segurança dos membros participantes nos testes físicos,
devido ao trabalho realizado com uma mistura de água e eletricidade, além da alta
amperagem correndo no dispositivo (cerca de 20 amperes), os testes foram realizados
focados apenas em um funcionamento qualitativo, e não quantitativo do produto. Isto é,
a potência do resistor foi reduzida, a voltagem entre os terminais do resistor também e
não houve um fluxo contínuo de água. Com isso, foi possível obter uma certificação
apenas do aumento da temperatura da água e do desligamento do fornecimento de
136
energia para o resistor através dos dispositivos de controle para uma dada temperatura
máxima estabelecida.
Resultados:
Os resultados obtidos foram satisfatórios no sentido qualitativo. Foi possível um
aumento da temperatura da água em aproximadamente 8°C e o controle realizou suas
atividades definidas no momento correto.
6.6.2.5. Aprendizados
Para o produto, esse protótipo proporcionou um conhecimento interessante
principalmente na área de segurança e na adaptação do dispositivo de controle. Para a
potência necessária anteriormente calculada, trabalha-se com uma amperagem alta e
por se tratar de um aquecimento de um fluxo permanente de água, o risco de choque
elétrico torna-se significativo.
Além disso, juntamente com o Prof. Dr. Bruno Albertinni, realizou-se
modificações na parte de controle do dispositivo devido à alta dificuldade na
programação e, também na prototipação, do dispositivo anteriormente citado no Estudo
de Viabilidade.
Um outro aprendizado foi na parte de vedação, pois a necessidade de passar
fios elétricos através dos tubos mostrou-se como uma fonte de vazamentos que não
havia sido considerada no processo de desenvolvimento teórico do produto. Sendo
assim, foram pesquisados métodos de estanqueidade para o produto, chegando-se à
solução idealizada de utilização do processo de termofusão. A termofusão consiste no
aquecimento controlado do material que compõe o produto, o qual já é comumente
utilizado e consagrado na união de tubos de PPR.
Conclui-se, portanto, que apesar de divergências quantitativas terem ocorrido,
elas foram principalmente causadas a fim de que a integridade física dos membros
fosse preservada, sendo utilizada uma potência de, no mínimo 8 vezes mais baixa que
137
a planejada. Não obstantes, os aprendizados oriundos da prototipação se mostraram
úteis no correto entendimento e avaliação da viabilidade física da solução em questão.
7. Conclusão
Após a etapa de estabelecimento das necessidades e desenvolvimento de
ideias, foram fixadas soluções plausíveis para o problema proposto: evitar o desperdício
de água em chuveiros a gás. Afim de se escolher a melhor solução para o projeto, foi
esquematizada uma matriz de decisão. Dessa forma, dentre projetos previamente
avaliados, foi escolhido como projeto básico o aquecimento por resistor de passagem.
Em seguida, foram realizadas as análises de sensibilidade, estabilidade,
compatibilidade. Cada qual convergindo para a assegurar de que o projeto básico fosse
factível; cumprisse o objetivo de funcionamento de forma eficiente e segura. Ademais, a
metodologia de espiral de projeto foi alcançada, uma vez que ao se analisar um
subsistema crítico do produto, notaram-se falhas em definições prévias do produto, de
modo que revisões e redefinições em etapas anteriores foram necessárias.
Por fim, foi feita a prototipagem afim de se confirmar as análises teóricas. O
resultado foi próximo ao esperado: os subsistemas críticos analisados, sistema de
controle e aquecimento de água foram simuladas com êxito. Além disso, os resultados
do primeiro protótipo também se apresentaram como satisfatórios, uma vez que ele
permitiu um maior aprendizado sobre o produto e a análise da viabilidade física da
solução.
O próximo objetivo será, portanto, desenvolver um protótipo completo, não
apenas o teste de subsistemas críticos, de forma a poder ser, de fato, acoplado a um
chuveiro residencial. Dessa forma, o produto será otimizado, abrindo espaço para o
projeto executivo e inserção no mercado do produto no mercado.
138
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144
145
9. Anexos
9.1 Anexo 1: memorial de cálculo
Para a potência máxima.
-Media de tempo para esquentar a água (no caso de chuveiro a gás) na pesquisa: 58,4s
-Desperdício por banho: 8,7L/min * 58,4seg
=0.02372 R$
-Preço energia Eletropaulo: 0.39682 r$/kwh
-Gasto de energia admissível (50% do que é poupado em reais): 0.02372/ (2*0,39682)
=0.02989 kWh
-Tempo de funcionamento: aproximadamente 1 minuto
-Potência instantânea máxima: 0,02989kWh * 60min
=1800 W
Reynolds do escoamento.
Re = ρVD/μ
V= Q/A = 4Q/(pi*D^2)
portanto Re = 4ρQ/(μ*pi*D)
Diâmetro médio = 0,032m, ro = 1000kg/m^3, Q= 8,7L/min, mi (viscosidade dinâmica) =
0,0009 Ns/m^2
Assim: Re = 6500 (turbulento)
L máx.
D = 0,032m
P1 =~ 345000Pa (pressão confortável de saída de agua, pesquisa)
f =~ 0,03472 (iteração de colebrook)
ro = 1000kg/m^3
V = 4Q/pi*D^2
Portanto Lmax =~ 19600m
146
Massa de entrada da solução B.
m1 = 10kg (estipulado)
u1 (temperatura de 20 graus) = 83,92kj/kg (van Wylen)
u2 (temperatura de 40 graus) = 167,53 kj/kg (van Wylen)
he (estipulando entrada de 45 graus) 188,42 (van Wylen)
me = 40kg
Temperatura de trabalho das especificações técnicas.
Não se deseja trabalhar com temperaturas que possam danificar o equipamento.
Temperatura limite: 100 graus Celsius (caso extremo)
Pela norma, a temperatura máxima deve ser, no caso limite, 55 graus a mais que a
temperatura de entrada da água no aquecedor.
Portanto, Temperatura de trabalho = 45 graus = 100- 55
Cálculo do custo de matéria-prima para fabricação dos reservatórios:
Para um reservatório com volume de 300 X 300 X 600 mm:
Reservatório de PVC:
Preço da resina: R$ 2.301,75 / tonelada
Densidade: 1,40g/cm³
Espessura dos tubos (em média): 2,5 mm
Preço aproximado: R$ 7,15
Reservatório de PPR:
Preço da resina: R$ 6.682,50 / tonelada
Densidade: 0,9 g/cm³
Espessura dos tubos (em média): 3,4 mm
Preço aproximado: R$ 16,35
147
Cálculo do custo de mão-de-obra com encargos por unidade produzida
=
9.2. Anexo 2: pesquisa aquecimento de chuveiros
*Obrigatório
1. Qual o bairro em que você reside em São
Paulo? *
Ex: Butantã, Pinheiros, Itaim
2. Sua idade *
3. A renda da sua família equivale a quantos salários mínimos?
Atualmente um salário mínimo equivale a R$778,00
Marcar apenas um oval.
até 2
2 a 4
4 a 10
10 a 20
acima de 20
148
4. O chuveiro da sua casa utiliza qual tipo de aquecimento? * Marcar apenas um
oval.
aquecedor a gás
chuveiro elétrico
aquecedor solar
aquecedor híbrido (ex: elétrico + gás)
5. De onde provém o aquecimento do seu chuveiro? Marcar apenas um oval.
aquecedor individual (no seu apartamento/casa)
aquecedor coletivo (do prédio)
6. Você sente que há um desperdício relevante de água no tempo que o chuveiro
leva para aquecer? * Marcar apenas um oval.
Sim
Não
7. Quanto tempo você acha que demora (mais ou menos) para aquecer a água antes
do banho?
Marcar apenas um oval.
até 30 segundos
até 1 minuto
até 2 minutos
até 3 minutos
até 5 minutos
149
mais que 5 minutos
8. Quão difícil é (1 a 5) atingir e manter a temperatura ideal da água no banho?
Considere 1 muito fácil e 5 muito difícil.
Marcar apenas um oval.
1
2
3
4
5
9. Em quanto tempo você esperaria ter seu investimento compensado ao comprar um
chuveiro mais caro, mas que diminui sua conta de água mensal?
Seu investimento será compensado em economia de água (redução da conta de
água). Marcar apenas um oval.
em até 3 meses?
em 3 a 6 meses?
em 6 a 9 meses?
em 9 a 12 meses?
em mais de 12 meses?
Outro:
10. Como sua conta de água é cobrada? Marcar apenas um oval.
Individualmente (conta refere-se ao gasto do seu apartamento/casa)
Coletivo (o prédio paga uma única conta e ela é igualmente dividida na
cobrança de condomínio)
150
11. De 1 a 5, o quanto você se preocupa com a escassez de água?
Sendo 1 Muito pouco preocupado; Indo até 5 . Muitopreocupado.
Marcar apenas um oval.
1
2
3
4
5
9.3. Anexo 3: testes de hipótese realizados
Os testes de hipótese foram feitos com auxílio do software Minitab 17. Os testes
foram executados com a intenção de validar resultados ou prover base estatística para
a realização de comparações e tomada de decisões.
Os principais testes resultados foram o teste t-Student para duas amostras e
teste de proporção com uma amostragem. Para a realização de ambos os testes,
supõe-se que a população do estudo (população real) apresenta uma distribuição
normal.
O teste t-Student de duas amostras é utilizado para comparar duas médias com
variância da população desconhecida. Para tanto, é utilizada uma variância
populacional supondo que estatística do teste passa a seguir uma distribuição t-Student
e visto se, dentro de um intervalo de confiança desejado, a diferença entre as duas
médias pode ser considerada maior, menor ou igual a zero (a depender do teste
executado). Comparando a diferença entre as duas médias com o valor obtido pela
distribuição t-Student dentro do intervalo de confiança, é possível aceitar ou refutar uma
hipótese acerca das duas amostras.
O teste de hipótese de proporção com uma amostra é realizado para comparar a
proporção de um resultado com um valor desejado. Para realizar a comparação, utiliza-
se a tabela z de distribuição normal para determinar um intervalo de confiança em que
uma proporção pode ser considerada igual a um valor definido. Caso a proporção
151
obtida pelo estudo estiver dentro do intervalo de confiança, a hipótese de igualdade
pode ser considerada verdadeira.
Os testes realizados e seus cálculos estão a seguir.
Teste t-Student Renda Familiar vs Tipo Chuveiro:
O chuveiro da suacasa utiliza N MeanStDev SE Mean
aquecedor a gás 55 19,75 9,38 1,3
chuveiro elétrico 42 15,02 9,91 1,5
Difference = μ (aquecedor a gás) - μ (chuveiro el trico)
Estimate for difference: 4,72
95% lower bound for difference: 1,42
Resultado: Você pode concluir que a média do aquecedor a gás é superior ao chuveiro
elétrico no nível de significância de 0,05.
152
Teste t-StudentTempo Aquecimentovs Tipo Chuveiro:
O chuveiro da suacasa utiliza N MeanStDev SE Mean
aquecedor a gás 57 1,32 1,16 0,15
chuveiro elétrico 43 0,547 0,147 0,022
Difference = μ (aquecedor a g s) - μ (chuveiro el trico)
Estimate for difference: 0,769
95% lower bound for difference: 0,511
Resultado: Você pode concluir que a média do aquecedor a gás é superior ao chuveiro
elétrico no nível de significância de 0,05.
153
Teste t-StudentPercepção de desperdíciovs Tipo Chuveiro:
O chuveiro da sua casa utiliza N MeanStDev SE Mean
aquecedor a gás 57 0,789 0,411 0,054
chuveiro elétrico 44 0,341 0,479 0,072
Difference = μ (aquecedor a g s) - μ (chuveiro el trico)
Estimate for difference: 0,4486
95% lower bound for difference: 0,2980
Resultado: Você pode concluir que a média do aquecedor a gás é superior ao chuveiro
elétrico no nível de significância de 0,05.
154
Teste t-StudentDificuldade de Atingir Temperatura Idealvs Tipo Chuveiro:
O chuveiro da sua casa utiliza N MeanStDev SE Mean
aquecedor a gás 57 2,35 1,04 0,14
chuveiro elétrico 44 2,25 1,06 0,16
Difference = μ (aquecedor a gás) - μ (chuveiro elétrico)
Estimate for difference: 0,101
95% lowerbound for difference: -0,250
Resultado: Não há evidência para concluir que a média do aquecedor a gás é superior
ao chuveiro elétrico no nível de significância de 0,05.
155
Teste t-StudentPreocupação com falta de águavs Tipo Chuveiro:
O chuveiro da sua casa utiliza N MeanStDev SE Mean
aquecedor a gás 57 3,86 1,06 0,14
chuveiro elétrico 44 3,818 0,947 0,14
Difference = μ (aquecedor a g s) - μ (chuveiro el trico)
Estimate for difference: 0,041
95% lower bound for difference: -0,291
Resultado: Não há evidência para concluir que a média do aquecedor a gás é superior
ao chuveiro elétrico no nível de significância de 0,05.
156
Teste de proporção de uma amostra: Forma de cobrança de água em usuários de
chuveiro a gás
Teste de p = 0,5 vs p ≠ 0,5
Evento testado = Cobrança Individual
Variable X N Sample p 95% CI P-Value
Cobrança Conta 51 107 0,476636 (0,379177; 0,575420) 0,699
Resultado: Com intervalo de confiança de 95%, a proporção de indivíduos com
cobrança individual vaira entre 37,9% e 57,5%.
59%
41%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Coletivo Individual
Per
cen
tual
das
Res
po
stas
Tipo de Cobrança de Água
Forma de cobrança de água para usuários de aquecedor a gás
157
Teste de proporção de uma amostra: Tempo de retorno superior a 9 meses
Teste de p = 0,5 vs p ≠ 0,5
Evento testado = Tempo de Retorno Superior a Nove Meses
Variable X N 90% CI 95% CI
Cobrança Conta 35 57 (0,5838; 0,8092) (0,5838; 1,0)
Resultado: Com intervalo de confiança de 95%, a proporção de indivíduos que aceita
um tempo de retorno superior a nova meses varia entre 58,38% e 100%.
158
9.4. Anexo 4
Soluções propostas descartadas:
E) Reservatório com Mistura de Água e Bomba para Fluxo em Tubulação Externa
Definição:
Em baixo do chuveiro haverá um reservatório onde cairá toda água do banho.
Numa tubulação externa acoplada em dois pontos opostos do reservatóro, a água irá
circular por meio de uma bomba que garantirá o fluxo sempre no mesmo sentido,
fazendo a água que passou pela tubulação voltar ao reservatório O sensor de
temperatura estará presente nessa tubulação. Quando a água estiver na temperatura
adequada, uma válvula fechará o fluxo no tubo e outra em seguida abrirá uma comporta
do reservatorio, permitindo uma vazão até o usuário contante assim como a do
chuveiro, para que a água acumulada não despejada de uma só vez.
Justificativa de descarte:
Essa proposta foi descartada, uma vez que o uso de bomba tornaria o produto
mais caro. Além disso, seria difícil definir uma vazão do reservatório constante, pois os
chuveiros de cada residência possuem vazões diferentes.
F) Saída do Cano com Reservatório Distal
Definição:
Na tubulação, uma válvula desvia o fluxo para um reservatório externo, distante
ao sistema do chuveiro. Um sensor térmico, acoplado à válvula, mede a temperatura da
água; uma vez atingida a temperatura ideal o fluxo é liberado para o usuário.
159
Justificativa de descarte:
Esta solução foi desconsiderada devido à localização e função do reservatório.
Primeiro foi feita a análise dimensional, de modo que, a área do banheiro, um dado
bastante variável, seria necessário para o cálculo de estruturação; onde acoplar este
reservatório distal. Além disso, não foi estipulado um destino para a água acumulada,
de forma que o usuário seria responsável por retirar esta água do reservatório e
reutilizá-la. Quanto a esta consideração, concluiu-se que não seria cômodo e atrativo
ao consumidor, além de existir a possibilidade de o usuário esquecer de esvaziar o
compartimento ou não se empenhar (por falta de tempo ou soluções) na devida
reutilização, e portanto, não evitar o desperdício d‟água, como foi proposto.
G) Reservatório Proximal com Desvio e Mistura de Água
Definição:
Anteriormente à saída do chuveiro, um reservatório é acoplado à tubulação como
desvio. Um sensor térmico mede a temperatura da água no cano, anteriormente ao
desvio para o reservatório. Enquanto a água não atingir a temperatura ideal, o fluxo é
desviado para dentro do reservatório, para que a água fria presente no cano se misture
à quente que sairá do aquecedor. Outro sensor dentro do reservatório medirá a
temperatura da água, e a liberará para o usuário quando atingir a desejada. Quando o
fluxo for liberado para o usuário, a válvula de desvio para o reservatório se fecha,
permitindo o fluxo normal pela tubulação.
Justificativa de descarte:
Comparativamente às demais soluções com reservatórios e sensores térmicos, o
principal motivo para descarte dessa solução é a sistematização de duas saídas d‟água
controladas por um sensor térmico cada. Apesar de ter um bom potencial de
funcionamento, seria diferente; desconfortável ao usuário. Além disso, o uso de dois
160
sensores traria custos adicionais e implicaria no aumento da possibilidade de falha do
dispositivo de modo geral.
H) Desvio para Recirculação de Água
Definição:
O chuveiro é solicitado pelo usuário e, portanto, a água começa a fluir no
encanamento do banheiro em direção à saída. Anteriormente à esta saída, há um
sensor térmico e um sistema de acionamento de válvula, para que caso a temperatura
não seja a ideal, a água seja desviada (válvula aberta). Sendo assim, quando a água
tiver atingido esta temperatura determinada, a válvula será fechada e o fluxo poderá
escorrer para fora do chuveiro. A função do desvio é a circulação d‟água de volta para o
encanamento do banheiro, de modo a gerar um ciclo de reutilização até que a válvula
seja fechada
Justificativa de descarte:
Como premissas do protótipo, foi determinado que não seria necessária reforma
ou instalação nos banheiros; o dispositivo deve ser um acessório acoplável ao sistema
de encanamento pré-existente nos banheiros de modo geral. Dessa forma, recircular a
água na tubulação implicaria em ir contra estas definições iniciais, que foram julgadas
como imutáveis para o desenvolvimento do projeto.
9.5. Anexo 5: Código de uma placa dedicada
/* Copyright 2011 Lex Talionis
This sketch uses a 'Random Phase' or 'Non Zero Crossing' SSR (Im using
the Omron G3MC-202PL DC5) to act as an A/C switch and an opto-isolataed
AC zero crossing dectector (the H11AA1) to give us a zero-crossing
reference. This allows the arduino to dim lights, change the temp of
heaters & speed control AC motors.
The software uses dual interrupts (both triggered by Timer1) to control
how much of the AC wave the load receives. The first interrupt,
161
zero_cross_detect(), is triggered by the Zero Cross detector on pin 3
(aka IRQ1). It resets Timer1's counter and attaches nowIsTheTime to a
new interrupt to be fired midway though the AC cycle. Control flows back
to the loop until we have waited the specified time. Then nowIsTheTime
pulses the AC_PIN high long enough for the SSR to open, and returns
control to the loop.
This program is free software: you can redistribute it and/or modify
it under the terms of the GNU General Public License as published by
the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
(at your option) any later version.
This program is distributed in the hope that it will be useful,
but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
GNU General Public License for more details.
You should have received a copy of the GNU General Public License
along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
Based on:
AC Light Control by Ryan McLaughlin <[email protected]>
http://www.arduino.cc/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl?num=1230333861
Thanks to http://www.andrewkilpatrick.org/blog/?page_id=445
and http://www.hoelscher-hi.de/hendrik/english/dimmer.htm
Circut Diagram and more information available at:
http://playground.arduino.cc/Code/ACPhaseControl
*/
#include <TimerOne.h> // Avaiable from http://playground.arduino.cc/Code/Timer1
#define FREQ 60 // 60Hz power in these parts
#define AC_PIN 9 // Output to Opto Triac
#define LED 13 // builtin LED for testing
#define VERBOSE 1 // can has talk back?
#define DEBUG_PIN 5 //scope this pin to measure the total time for the intrupt to run
int inc=1;
volatile byte state = 255; // controls what interrupt should be
//attached or detached while in the main loop
double wait = 3276700000; //find the squareroot of this in your spare time please
char cmd = 0; //Buffer for serial port commands
unsigned long int period = 1000000 / (2 * FREQ);//The Timerone PWM period in uS, 60Hz = 8333 uS
int hexValue = 0; // the value from serial a serial port(0-0xFFF)
unsigned int onTime = 0; // the calculated time the triac is conducting
unsigned int offTime = period-onTime; //the time to idle low on the AC_PIN
int hexInput(int len); //interprets a hex packet ":XXX" - len hex digits
void setup()
162
{
Serial.begin(115200); //start the serial port at 115200 baud we want
Serial.println("AC Motor Control v1"); //the max speed here so any
#ifdef VERBOSE //debugging output wont slow down our time sensitive interrupt
pinMode(DEBUG_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(DEBUG_PIN, LOW);
Serial.println("----- VERBOSE -----"); // feeling talkative?
#endif
pinMode(AC_PIN, OUTPUT); // Set the Triac pin as output
pinMode(LED, OUTPUT);
attachInterrupt(1, zero_cross_detect, RISING); // Attach an Interupt to Pin 3 (interupt 1) for Zero Cross
Detection
Timer1.initialize(period);
// Timer1.disablePwm(9);
Timer1.disablePwm(10);
}
void zero_cross_detect() // function to be fired at the zero crossing. This function
{ // keeps the AC_PIN full on or full off if we are at max or min
Timer1.restart(); // or attaches nowIsTheTime to fire at the right time.
state=B00000011;
#ifdef VERBOSE
digitalWrite(DEBUG_PIN, HIGH);
#endif
if (offTime<=100) //if off time is very small
{
digitalWrite(AC_PIN, HIGH); //stay on all the time
state=0; // no update this period
#ifdef VERBOSE
//Serial.print("Full on\t");
#endif
}
else if (offTime>=8000) { //if offTime is large
digitalWrite(AC_PIN, LOW); //just stay off all the time
state=0; //no update this period
#ifdef VERBOSE
//Serial.print("Full off\t");
#endif
}
else //otherwise we want the motor at some middle setting
{
Timer1.attachInterrupt(nowIsTheTime,offTime);
}
#ifdef VERBOSE
digitalWrite(DEBUG_PIN, LOW);
#endif
} // End zero_cross_detect
void nowIsTheTime ()
{
#ifdef VERBOSE
digitalWrite(DEBUG_PIN, LOW);
#endif
if (state==1) //the interrupt has been engaged and we are in the dwell time....
{
digitalWrite(AC_PIN,HIGH);
163
wait = sqrt(wait); //delay wont work in an interrupt.
if (!wait) // this takes 80uS or so on a 16Mhz proc
{
wait = 3276700000;
}
digitalWrite(AC_PIN,LOW);
state = B00000010;
}
#ifdef VERBOSE
digitalWrite(DEBUG_PIN, LOW);
#endif
}
void loop() { // Non time sensitive tasks - read the serial port
/* offTime = offTime + inc; //walk up and down debug routine
if (offTime>=8100)
{
inc = -4;
}
else if (offTime<=500)
{
inc = 4;
}*/
hexValue = hexInput(3); // Read a 3 digit hex number off the serial
if (hexValue < 0) {
//no input, so do nothing
if(state==B00000011) //its before the turn on time
{
Timer1.attachInterrupt(nowIsTheTime,offTime);
state=B00000001; //when it is the time for nowIsTheTime the state will align with unity
}
else if(state==B00000010) //its after turn on time
{
Timer1.detachInterrupt();
attachInterrupt(1, zero_cross_detect, RISING);
state=B00000000;
}
} else {
onTime = map(hexValue, 0, 4095, 0, period); // re scale the value from hex to uSec
offTime = period - onTime; // off is the inverse of on, yay!
#ifdef VERBOSE
//Serial.print("In loop:\t");
//Serial.print("Input Val \t");
//Serial.print(hexValue);
//Serial.print("\tperiod:");
//Serial.print(period);
//Serial.print("\tonTime:");
//Serial.print(onTime);
Serial.print("\toffTime:");
Serial.println(offTime);
#endif
}
}
int hexInput(int len) { //serial device sends ":XXX" - three hex digits, repeating for ever
int val = -1;
164
if (Serial.available() > len) {
int count = 0; //when count gets to 8 we have a full packet
#ifdef VERBOSE
//Serial.println("");
//Serial.print("Input:");
#endif
val = 0;
while (count != 1<<len)
{
cmd = Serial.read();
switch ( ( ('0'<=cmd) && (cmd<='9') ) //1 if cmd is a ascii numeral
+ (2 * ( ('A'<=cmd) && (cmd<='F') ) ) //2 if cmd is A-F
+ (2 * ( ('a'<=cmd) && (cmd<='f') ) ) // or a-f
+ (4 * ( cmd==':' ) ) ) //4 if cmd is a colon - returns 0 for all other chars
{
case 1: //cmd is a numeral
{
Serial.print(cmd);
cmd -= '0';
count = count<<1; //double count
break;
}
case 2: //cmd is a letter
{
Serial.print(cmd);
cmd = (cmd - 'A') + 10;
count = count<<1; //doubble count
// after being turned on by a colon then doubbled len times count == 2^len or 1<<len
break;
}
case 4: //cmd is a colon - clear the accumulator
{
Serial.print(':');
val=0; //clear the accumulator
cmd=0;
count=1; //we can start counting now!
break;
}
case 0: //anything else
{
Serial.print('!', DEC);
val = -1; //Set the error condition
goto bailout; //if cmd isnt anything we want, dump the whole packet
}
}
val = (val*16) + cmd;
}
#ifdef VERBOSE
Serial.print("\tinput val:");
Serial.println(val);
#endif
}
bailout:
return val;
165
9.6. Anexo 6: divisões de nota do trabalho
Devido às diferenças de desempenho dos integrantes do grupo na elaboração do
trabalho, foi elaborada uma divisão de notas que reflita o empenho de cada integrante
do grupo na elaboração do relatório. Essa divisão está na tabela 26.
Tabela 26 - Divisão de notas entre integrantes do grupo
Integrante do Grupo Nota
Bernardo Bichucher +1
Emmanuel Gantois +1,5
Letícia Rubinstein 0
Lucas Giestas -2
Marcela da Ponta -0,5
Marco Vitor Oliveira +1
Marina Martins +1
Victor Miguel -2
