TESE -Análise Energética de Sistemas de Aquecimento de Água Com Energia Solar e Gás

MINISTRIO DA EDUCAO E DO DESPORTO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ANLISE ENERGTICA DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE GUA COM

ENERGIA SOLAR E GS

por

Jean-Marc Stephane Lafay

Tese de Doutorado

Porto Alegre, junho de 2005

ANLISE ENERGTICA DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE GUA COM

ENERGIA SOLAR E GS

por

Jean-Marc Stephane Lafay

Mestre em Engenharia

Tese submetida ao Corpo Docente do Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Mecnica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, como parte dos requisitos necessrios para a obteno do Ttulo de

Doutor em Engenharia

rea de concentrao: Energia

Orientador: Prof. Dr. Arno Krenzinger

Banca examinadora:

Prof. Dr. Paulo Otto Beyer

Prof. Dr. Pio Caetano Lobo

Prof. Dr. Mario Henrique Macagnan

Prof. Dr. Flvio Lorini

Coordenador do PROMEC

Porto Alegre, junho de 2005.

iii

A verdadeira medida de um homem no como ele se

comporta em momentos de conforto e convenincia, mas

como ele se mantm em tempos de controvrsia e desafio.

Martin Luther King

iv

Dedico este Trabalho queles que acreditaram

incondicionalmente em mim desde pequeno, meus queridos

pais, Jean-Pierre e Josette, que me educaram e me fizeram

perseguir meus sonhos. Ao meu amado filho, Jean-Luc, que

me fez querer ser um exemplo ou pelo menos dar de mim o

melhor. minha parceira, Cntia, por me ensinar a arte da

pacincia e do amor. minha filhinha que est para nascer a

qualquer momento.

v

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a este grande pas chamado Brasil, por ter me acolhido e

propiciado a qualidade de vida que usufruo atualmente. Agradeo o Centro Federal de Educao

Tecnolgica, especialmente aos colegas da Coordenao de Eletromecnica que permitiram o

meu afastamento para realizar este trabalho. Agradeo ao CNPq pela bolsa de estudos. Agradeo

as pessoas que trabalham nos bastidores do PROMEC na UFRGS.

Agradeo igualmente ao meu orientador Dr. Arno Krenzinger pela dedicao e

humor com que trabalha e orienta. Ao M. Sc. Csar Wilhelm Massen Prieb um muito obrigado

pelo help prestado ao longo destes quatro anos.

Tambm sou grato ao amigo Airton Cabral de Andrade por me mostrar o que

realmente significa a palavra amizade e ao amigo Daniel Sampaio Figueira por estar sempre um

passo a frente na trilha do doutorado, clareando o caminho a ser percorrido. Sinto-me grato e

satisfeito de ter convivido com os bolsistas e colegas do Laboratrio de Energia Solar, Aguiar,

Batista, Fabio, Felipe (Cubano), Gustavo, Heston, Joaquim, Luis (Argentino), Kell, Medina,

Moiss, Oliboni, Pablo, Patric, Polozine (Russo), Roberto, Rossini, Scain, Steigleder e Wagner,

pela atmosfera de alegria, amizade e respeito que ajudaram a construir.

vi

RESUMO

Esta Tese apresenta uma anlise do comportamento trmico de um sistema de

aquecimento de gua combinando energia solar e gs como fontes energticas. A nfase desta

anlise est na influncia que a forma de conexo dos coletores solares e do circuito da fonte

auxiliar de energia ao reservatrio exercem sobre a eficincia e o custo de operao do sistema.

O trabalho engloba uma montagem experimental, caracterizao de componentes, validao

experimental de um programa de simulao, anlises de eficincia utilizando o programa e

anlises econmicas com dados simulados.

Na fase experimental desta Tese, foram montados trs sistemas de aquecimento de

gua. Dois sistemas utilizando reservatrios verticais e um sistema utilizando reservatrio

horizontal. Os sistemas foram montados com componentes similares: reservatrios metlicos

isolados termicamente com capacidade de 600 litros (verticais), reservatrio de polietileno

isolado termicamente com capacidade de 600 litros (horizontal), 2 coletores solares de placas

planas, tubulao de cobre e aquecedores a gs de passagem de 7,5 l /min. Os componentes foram caracterizados mediante a curva de eficincia dos coletores solares, eficincia dos

aquecedores a gs de passagem e o coeficiente de perdas trmicas dos reservatrios.

Sensores foram instalados para monitorar os sistemas em operao. Os sinais dos

sensores foram medidos atravs de uma central de aquisio de dados conectado a um

computador. Temperaturas, irradincia solar, consumo de gs e consumo de gua foram

registrados ao longo do tempo. Os resultados experimentais foram comparados com resultados

calculados por meio de um programa desenvolvido no Laboratrio de Energia Solar

apresentando boa concordncia.

Utilizando o mesmo programa determinou-se a configurao do sistema de

aquecimento de gua com energia solar e gs mais eficiente para a cidade de Porto Alegre com

um determinado perfil de consumo. Outros tipos de sistemas de aquecimento de gua foram

simulados para atender o mesmo perfil de demanda. Anlises econmicas comparando estes

sistemas entre si foram realizadas considerando diversos cenrios econmicos.

vii

ABSTRACT

This Thesis presents an analysis of the thermal behavior of a water heating system

combining solar energy and gas as energy sources. This analysis is focused on how the

efficiency and operational cost of the system are influenced by the way the solar collectors and

the auxiliary energy source are connected to the reservoir. The work includes the assembly of an

experimental system, the characterization of its components and the validation of a computer

simulation program. Analyses of the system efficiency using the software and economical

analyses with simulated data were also performed.

Three water heating systems were assembled in the experimental phase of this Thesis.

Two of them featured vertical tanks and the other had a horizontal tank. Similar components

were employed in each system: a thermal insulated tank with 600 liters capacity, two flat plate

solar collectors, copper piping and a 7.5 l /min instant gas heater. The components were characterized through the solar collectors efficiency curve, the efficiency of the instant gas

heaters and overall thermal loss coefficient of the tanks.

Several sensors were installed for monitoring the systems under operation. Their

signals were measured by a data acquisition system connected to a computer. Temperatures,

solar irradiance, gas and water consumption were registered along the time. The experimental

results were compared to the results obtained from a simulation program developed at the

UFRGS Solar Energy Laboratory with a good agreement.

The most efficient configuration for a hybrid solar-gas water heating system for the

city of Porto Alegre, for a given load profile, was determined with the same software. Different

types of water heating systems were also simulated and the results were compared considering

several economical scenarios.

viii

SUMRIO

RESUMO .................................................................................................................................. vi

ABSTRACT. ............................................................................................................................. vii

SUMRIO................................................................................................................................. viii

LISTA DE SMBOLOS ........................................................................................................... xi

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. xiii

LISTA DE TABELAS.............................................................................................................. xix

1. INTRODUO .......................................................................................................... 1

1.1 Justificativa................................................................................................................... 3

1.2 Objetivos....................................................................................................................... 4

1.3 Escopo da Tese ............................................................................................................. 5

2.0 REVISO BIBLIOGRFICA................................................................................... 6

2.1 Energia Eltrica..................................................................... ....................................... 6

2.2 Gs Natural..................................................................... .............................................. 8

2.2.1 Gs Associado..................................................................... ......................................... 9

2.2.2 Gs No Associado....................................................................................................... 10

2.3 Gs Liquefeito de Petrleo..................................................................... ...................... 10

2.4 Energia Solar..................................................................... ........................................... 15

2.5 Componentes de Sistemas de Aquecimento de gua com Energia Solar.................... 15

2.5.1 Coletores Solares ......................................................................................................... 15

2.5.2 Reservatrios Trmicos........................ ........................................................................ 18

2.5.3 Fonte de Energia Auxiliar. ........................................................................................... 22

2.6 Configuraes dos Sistemas de Aquecimento de gua com Energia Solar ................ 22

2.6.1 Sistema Passivo Direto. ................................................................................................ 23

2.6.2 Sistema Passivo Indireto............................................................................................... 23

2.6.3 Sistema Ativo Direto. ................................................................................................... 24

2.6.4 Sistema Ativo Indireto.................................................................................................. 25

2.7 Parmetros de Projeto................................................................................................... 25

2.7.1 Temperatura de Operao............................................................................................. 25

2.7.2 Perfil de Consumo ........................................................................................................ 26

2.8 Aspecto Econmico de Sistemas de Aquecimento de gua. ....................................... 28

2.9 Aspecto Ambiental de um Sistema Solar de Aquecimento de gua. .......................... 29

ix

3.0 MONTAGEM EXPERIMENTAL DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE

GUA ......................................................................................................................... 31

3.1 Sistema de Aquisio de Dados ................................................................................... 34

3.1.1 Central de Aquisio de Dados .................................................................................... 36

3.1.2 Sensor Resistivo PT100................................................................................................ 37

3.1.3 Sensor de Circuito Integrado ........................................................................................ 39

3.1.4 Piranmetro Fotovoltaico ............................................................................................. 41

3.1.5 Medidor de Consumo de Gs ....................................................................................... 42

3.1.6 Medidor de Consumo de gua..................................................................................... 43

4.0 CARACTERIZAO DOS COMPONENTES DOS SISTEMAS ....................... 44

4.1 Caracterizao dos Reservatrios Trmicos................................................................. 44

4.1.1 Alterao do Isolamento do Reservatrio Trmico Vertical ........................................ 51

4.2 Caracterizao dos Coletores Solares........................................................................... 53

4.2.1 Calibrao do Fluxmetro............................................................................. ................ 59

4.2.2 Medidas de Eficincia de Coletores Solares................................................................. 60

4.3 Sistema de Aquecimento a Gs .................................................................................... 63

4.3.1 Determinao do Rendimento do Aquecedor a Gs de Passagem................ ............... 64

4.3.1.1 Condies de Ensaio..................................................................................................... 64

4.3.1.2 Rendimento e Potncia do Aquecedor a Gs................................................................ 66

4.3.2 Dispositivo Contra Falhas no Acendimento do Gs no Aquecedor de Passagem....... 69

4.4 Vlvula de Controle de Consumo (Solenide)................ ............................................. 71

5.0 ANLISE DAS INCERTEZAS ................................................................................ 73

5.1 Incerteza na Medida dos Sensores de Temperatura................ ..................................... 73

5.2 Energia Proveniente do Gs................ ......................................................................... 74

5.3 Energia Associada ao Coletor Solar................ ............................................................. 80

5.4 Energia Associada ao Consumo................ ................................................................... 81

5.5 Energia Associada s Perdas Trmicas......... ............................................................... 82

6.0 RESULTADOS EXPERIMENTAIS... ..................................................................... 85

6.1 Comportamento dos Sistemas ...................................................................................... 89

6.2 Influncia do Aquecedor a Gs nos Perfis de Temperaturas.......................................... 89

6.3 Influncia da Configurao Sobre a Temperatura de Operao dos Coletores............ 92

6.4 Influncia do Consumo no Perfil de Temperaturas ...................................................... 93

6.5 Influncia do Horrio de Consumo na Eficincia dos Sistemas................................... 96

7.0 PROGRAMA DE SIMULAO.............................................................................. 104

x

7.1 Metodologia de Validao do Programa de Simulao ............................................... 108

7.2 Validao dos Mdulos do Programa de Simulao.................................................... 109

8.0 ANLISE DOS SISTEMAS ...................................................................................... 123

8.1 Determinao da Configurao do Sistema de Aquecimento Mais Eficiente.............. 123

8.1.1 Resultados das Simulaes........................................................................................... 125

8.2 Comparao de Sistemas de Aquecimento de gua .................................................... 130

8.3 Mtodo Econmico ...................................................................................................... 132

9.0 CONCLUSO............................................................................................................. 145

Referncias Bibliogrficas ....................................................................................................... 148

Bibliografia Complementar...................................................................................................... 153

Publicaes Geradas por esta Tese........................................................................................... 153

xi

LISTA DE SMBOLOS

A Valor no perodo N [R$]

Ac rea do coletor [m2]

cp Calor especfico presso constante [J/kgC]

d Taxa de juros do mercado [%]

Ei Energia interna [J]

FR Fator de remoo de calor [-]

Go Irradincia solar extraterrestre sobre uma superfcie horizontal [W/m]

Gsc Constante solar [W/m]

GT Energia da radiao solar sobre a superfcie do coletor [J]

k Condutividade trmica [W/mC]

M ndice de qualidade do acumulador em funo da rea e volume [-]

m Massa [kg]

m& Vazo mssica [kg/s] N Nmero de pagamentos [-]

n Nmero do dia do ano [-]

P Presso [N/m]

PCS Poder calorfico superior [kJ/m]

q Quantidade de calor trocado entre dois corpos [J]

Qa Energia armazenada [J]

Qcons Energia de consumo [J]

Qgs Energia do gs [J]

Qsolar Energia do coletor solar [J]

Qp Energia associada s perdas [J]

Qu Energia til [J]

Quc Energia til do coletor solar [J]

uQ& Potncia til [W]

R Resistncia [] S Energia da radiao solar absorvida [J]

t Tempo [s]

T Temperatura absoluta [K]

Ta Temperatura ambiente [C]

Tcons Temperatura de consumo [C]

xii

Te Temperatura de entrada [C]

Ts Temperatura de sada [C]

Tm Temperatura mdia [C]

Tq Temperatura interna (uniforme) [C]

Trede Temperatura da gua da rede [C]

U Coeficiente de perdas trmicas do reservatrio [W/m C]

UL Coeficiente de perdas trmicas do coletor solar [W/C]

UT Coeficiente global de perdas trmicas [W/C]

VP Valor presente [R$]

V Volume [m3]

V0 Volume normalizado [m3]

WC Incerteza na calibrao do sensor de temperatura [C]

WE Incerteza devido a instabilidade do sensor de medida da

temperatura

[C]

WS Incerteza na medida de temperatura do sistema de aquisio de

dados

[C]

WT Incerteza na medida da temperatura [C]

WQcons Incerteza na medida da energia de consumo [J]

WQsolar Incerteza na medida da energia associada aos coletores solares [J]

WQperdas Incerteza na medida da energia associada as perdas trmicas [J]

WQgs Incerteza na medida da energia do gs [J]

Caracteres Gregos

Difusividade trmica [m2/s] Emissividade da superfcie [-] Rendimento [%] c Rendimento do coletor solar [%] S Rendimento do sistema de aquecimento de gua [%] Comprimento de onda [m] Massa especfica [kg/m3] Inclinao da superfcie em relao ao solo []

()e Produto da transmitncia-absortncia efetivo [-]

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Preo mdio de revenda de Gs Natural. ANP, 2005.............................................. 9

Figura 2.2 Reservatrio produtor de leo e gs associado. (COMPET, 2004)......................... 10

Figura 2.3 Reservatrio produtor de gs no-associado. (COMPET, 2004) ............................ 10

Figura 2.4 Preo mdio de revenda de gs liquefeito de petrleo ANP, 2005 ......................... 13

Figura 2.5 Representao esquemtica da localizao da fonte auxiliar de energia em

sistemas passivos diretos... ...................................................................................... 23

Figura 2.6 Representao esquemtica da localizao da fonte auxiliar de energia em

sistemas passivos indiretos... ................................................................................... 24

Figura 3.1 Vista geral dos sistemas de aquecimento de gua ................................................... 32

Figura 3.2 Representao esquemtica das conexes de ambos os sistemas............................ 32

Figura 3.3 Vista geral do sistema de aquecimento de gua com reservatrio horizontal ......... 33

Figura 3.4 Localizao dos sensores PT100 no sistema 1 (paralelo)........................................ 34

Figura 3.5 Localizao dos sensores PT100 no sistema 2 (srie) ............................................. 35

Figura 3.6 Localizao dos sensores PT100 no sistema 3 (horizontal) .................................... 35

Figura 3.7 Posicionamento dos sensores C.I. no interior do reservatrio trmico ................... 36

Figura 3.8 Isolamento eltrico do PT100.................................................................................. 38

Figura 3.9 Detalhe da fixao do sensor PT100 na tubulao de cobre ................................... 39

Figura 3.10 LM35 com massa trmica na perna do terra............................................................ 40

Figura 3.11 Haste de CPVC com LM35 em seu interior ............................................................ 40

Figura 3.12 Calibrao dos sensores C.I.s com o banho termosttico e o tubo acoplado a

ele ............................................................................................................................ 41

Figura 3.13 Conexo dos sensores C.I. ao carto multiplexador HP 34901A............................ 41

Figura 3.14 Piranmetro fotovoltaico ......................................................................................... 42

Figura 3.15 Medidor de consumo de gs .................................................................................... 42

Figura 3.16 Hidrmetro............................................................................................................... 43

Figura 4.1 Dimenses do reservatrio trmico vertical em mm.................... ........................... 44

Figura 4.2 Dimenses do reservatrio trmico horizontal em mm........................................... 45

Figura 4.3 Vista em perspectiva do reservatrio horizontal.................... ................................. 45

Figura 4.4 Curva de resfriamento do reservatrio vertical ....................................................... 47

Figura 4.5 Relao entre potencia trmica transferida e diferena mdia de temperatura

do reservatrio para o ambiente para calcular os coeficientes globais de

xiv

perdas dos sistemas srie(2) e paralelo(1)... ............................................................ 48

Figura 4.6 Comparao da variao de energia interna medida e calculada por dois

mtodos diferentes ................................................................................................... 51

Figura 4.7 Isolamento adicional de poliuretano........................................................................ 52

Figura 4.8 Enlonamento para diminuir a ao do vento ........................................................... 52

Figura 4.9 Blindagem de alumnio para radiao solar ............................................................ 52

Figura 4.10 Coletores sob teste na bancada Aquatherm. O gabinete da esquerda o

sistema de refrigerao e o do fundo abriga os sistemas de aquecimento e

circulao de gua ................................................................................................... 56

Figura 4.11 Diagrama esquemtico do circuito hidrulico de medio Aquatherm WS 83....... 56

Figura 4.12a Piranmetro Eppley PSP utilizado para medir a radiao solar .............................. 57

Figura 4.12b Anemmetro utilizado para medir a velocidade do vento. ...................................... 57

Figura 4.13 Controle de vazo e caixa de conexes para os sensores de temperatura,

radiao e velocidade do vento................................................................................ 58

Figura 4.14 Esquema do sistema de aquisio de dados............................................................. 58

Figura 4.15 Tela principal do programa Aquatherm de aquisio de dados............................... 59

Figura 4.16 Curva de calibrao do fluxmetro utilizado nos ensaios ........................................ 60

Figura 4.17 Curva de eficincia instantnea medida dos coletores utilizados............................ 61

Figura 4.18 Comparao entre a variao de energia medida e calculada do sistema

paralelo .................................................................................................................... 62

Figura 4.19 Aquecedores e botijes de 45kg com vlvula de reduo de presso ..................... 63

Figura 4.20 Esquema do ensaio com o posicionamento dos equipamentos ............................... 66

Figura 4.21 Variao de temperatura entre a entrada e sada dos aquecedores do sistema 1

e 2 (22/01/04)........................................................................................................... 67

Figura 4.22 Variao de temperatura entre a entrada e sada dos aquecedores do sistema 1

e 2 (19/01/04)........................................................................................................... 67

Figura 4.23 Comparao da variao da energia interna medida e calculada, quando

acionado o aquecedor a gs ..................................................................................... 68

Figura 4.24 Diagrama esquemtico do controlador de religamento do gs................................ 70

Figura 4.25 Placa de circuito impresso vista superior (esq.) e inferior (dir.)........................... 70

Figura 4.26 Variao da energia interna devido ao consumo ..................................................... 72

Figura 6.1 Variao da energia interna dos reservatrios quando os sistemas operaram

apenas com energia solar, utilizando coeficiente global de perdas do sistema

igual a 10 W/C para o sistema 1 (paralelo) e 8,5 W/C para o sistema 2

xv

(srie). ...................................................................................................................... 85

Figura 6.2 Variao da energia interna dos sistemas de aquecimento apenas com energia

solar, utilizando coeficiente global de perdas de 9,5 W/C para o sistema 1 e 8,1 W/C para o sistema 2 ....................................................................................... 86

Figura 6.3 Variao da relao entre potncia transferida e diferena mdia de

temperatura entre o interior do reservatrio e o ambiente do sistema paralelo

e srie ....................................................................................................................... 87

Figura 6.4 Variao da energia interna dos reservatrios dos sistemas, considerando as

perdas trmicas e a energia solar, utilizando coeficiente global de perdas de

9,77 W/Cpara o sistema 1 e 8,24 W/C para o sistema 2 ...................................... 88 Figura 6.5 Variao da energia interna dos reservatrios dos sistemas, considerando as

perdas trmicas e a energia solar, utilizando coeficiente global de perdas de

9,5 W/Cpara o sistema 1 e 8,1 W/C para o sistema 2 .......................................... 88 Figura 6.6 Temperatura mdia da gua no interior dos reservatrios, temperatura

ambiente e perdas trmicas ao longo de um perodo de trs dias. Utiliza-se

tm1 para temperatura mdia do sistema 1, tm2 para temperatura mdia do

sistema 2 e ta para a temperatura ambiente............................................................. 89

Figura 6.7 Perfis de temperatura da gua do reservatrio do sistema paralelo quando o

aquecedor acionado. Utiliza-se Tegas para a temperatura da gua na

entrada do aquecedor a gs, Tsgas para a temperatura da gua na sada do

aquecedor a gs, Egas para a energia fornecida pelo aquecedor a gs e T1 a

T8 para a temperatura da gua nas camadas de 1 a 8. ............................................. 90

Figura 6.8 Perfis de temperaturas da gua do reservatrio do sistema srie quando o

aquecedor acionado. Utiliza-se Tegas para a temperatura da gua na

entrada do aquecedor a gs, Tsgas para a temperatura da gua na sada do

aquecedor a gs, Egas para a energia fornecida pelo aquecedor a gs e T1 a

T8 para a temperatura da gua nas camadas de 1 a 8. ............................................. 90

Figura 6.9 Perfis de temperaturas do sistema Paralelo ao longo de trs dias de ensaio,

com todos os componentes atuando de forma integrada ......................................... 91

Figura 6.10 Perfis de temperaturas do sistema Srie ao longo de trs dias de ensaio, com

todos os componentes atuando de forma integrada. ................................................ 92

Figura 6.11 Temperaturas da gua na entrada e sada dos coletores solares de ambos os

sistemas. Onde Ta corresponde a temperatura ambiente, Te1 e Ts1

xvi

correspondem as temperaturas de entrada e de sada da gua do coletor do

sistema paralelo, Te2 e Ts2 correspondem as temperaturas de entrada e de

sada da gua do coletor do sistema srie. ............................................................... 93

Figura 6.12 Influncia do consumo no perfil de temperaturas do sistema paralelo. So

utilizados Tcons para a temperatura de consumo, Trede para a temperatura

do sensor da gua da rede (gua de reposio) e Pcons para a potncia

associada ao consumo de gua quente..................................................................... 94

Figura 6.13 Influncia do consumo no perfil de temperaturas do sistema srie. So

utilizados Tcons para a temperatura de consumo, Trede para a temperatura

do sensor da gua da rede (gua de reposio) e Pcons para a potncia

associada ao consumo de gua quente..................................................................... 95

Figura 6.14 Acionamento do aquecedor a gs causando oscilao na temperatura da

camada T5................................................................................................................ 95

Figura 6.15 Influncia do consumo s 19 horas no sistema paralelo.......................................... 98

Figura 6.16 Influncia do consumo s 19 horas no sistema srie. .............................................. 98

Figura 6.17 Influncia do consumo s 15 horas no sistema paralelo.......................................... 99

Figura 6.18 Influncia do consumo s 15 horas no sistema srie. .............................................. 99

Figura 6.19 Influncia do consumo s 9 horas no sistema paralelo............................................ 100

Figura 6.20 Influncia do consumo s 9 horas no sistema srie. ................................................ 100

Figura 6.21 Comparao da variao da energia interna do reservatrio do sistema 1

(paralelo), medido e calculado................................................................................. 101

Figura 7.1 Formulrio de entrada de valores da geometria do sistema a ser simulado ............ 106

Figura 7.2 Formulrio de dimenses e eficincia do coletor do programa de simulao

(dados do coletor utilizado no trabalho). ................................................................. 106

Figura 7.3 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas das

camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo no dia

23/03/2003 ............................................................................................................... 110



23/03/2003. .............................................................................................................. 110



01/04/2004. .............................................................................................................. 111

Figura 7.6 Resultado experimental do perfil de temperaturas das camadas de gua no

xvii

interior do reservatrio no dia 05/04/2004. ............................................................. 112


camadas de gua no interior do reservatrio no dia 08/04/2004. ............................ 112


camadas de gua no interior do reservatrio horizontal no dia 11/02/2005. ........... 113


camadas de gua no interior do reservatrio do sistema paralelo com

acionamento automtico do aquecedor a gs, no dia 17/04/2004. .......................... 114

Figura 7.10 Temperatura mdia simulada e experimental correspondente a figura 7.9 ............. 114


camadas de gua no interior do reservatrio do sistema srie com

acionamento de gs automtico, no dia 17/04/2004................................................ 115


camadas de gua no interior do reservatrio horizontal com acionamento de

gs automtico, no dia 27/04/2005. ......................................................................... 116

Figura 7.13 Dados de irradincia solar e temperatura ambiente do dia 13/09/2003................... 117



13/09/2003. .............................................................................................................. 118


camadas de gua no interior do reservatrio do sistema srie no dia

13/09/2003. .............................................................................................................. 118

Figura 7.16 Dados de irradincia solar e temperatura ambiente do dia 15/02/2005................... 119

Figura 7.17 Temperaturas de entrada e sada dos coletores solares do sistema horizontal

experimental (a) e simulado (b), no dia 15/02/2005................................................ 119

Figura 7.18 Resultado experimental do perfil de temperaturas das camadas de gua no

interior do reservatrio do sistema horizontal no dia 15/02/2005. .......................... 120

Figura 7.19 Resultado experimental (a) e simulado (b) do perfil de temperaturas da gua

no interior do reservatrio do sistema paralelo quando ocorre consumo de

gua quente, acionamento do aquecedor e funcionamento dos coletores

solares. ..................................................................................................................... 121


no interior do reservatrio do sistema srie quando ocorre consumo de gua

quente, acionamento do aquecedor e funcionamento dos coletores solares............ 121

xviii


no interior do reservatrio do sistema com reservatrio horizontal quando

ocorre consumo de gua quente, acionamento do aquecedor e funcionamento

dos coletores solares. ............................................................................................... 122

Figura 8.1 Eficincia mdia do sistema solar das 20 configuraes simuladas com dois e

trs coletores solares. ............................................................................................... 126

Figura 8.2 Frao solar das 20 configuraes simuladas com dois e trs coletores

solares. ..................................................................................................................... 126

Figura 8.3 Energia trmica agregada ao reservatrio das 20 configuraes com dois e

trs coletores solares. ............................................................................................... 127

Figura 8.4 Consumo anual de gs das 20 configuraes simuladas com dois e trs

coletores solares....................................................................................................... 128

Figura 8.5 Representao esquemtica da configurao oito ................................................... 130

Figura 8.6 Relao entre o valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar

utilizando taxa de financiamento de 5%.................................................................. 140


utilizando taxa de financiamento de 2%.................................................................. 141


utilizando taxa de financiamento de 1% (cenrio 3). .............................................. 141





Figura 8.11 Relao entre o Valor presente total dos sistemas e o custo do coletor solar


xix

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Tarifas mdias de energia eltrica, classe residencial, para o estado do Rio Grande do Sul. ANEEL, 2005................................................................................................ 7

Tabela 2.2 Tarifa convencional do setor residencial. CEEE, 2005.. ........................................... 7

Tabela 2.3 Alquota de ICMS em funo das Classes................................................................. 8

Tabela 2.4 Comparaes entre GN e GLP. (COMPET, 2004) ................................................... 14

Tabela 2.5 Propriedades termofsicas de alguns materiais a 30C, Incropera (1998) ................. 20

Tabela 4.1 Parmetros do sistema de aquecimento a gs, determinados experimentalmente..... 68

Tabela 4.2 Vazo mssica de consumo de gua quente dos sistemas, determinadas

experimentalmente..................................................................................................... 71

Tabela 5.1 Valores das incertezas utilizadas no clculo da incerteza do volume de gs ............ 77

Tabela 5.2 Valores das incertezas utilizados no clculo da incerteza da eficincia do

aquecedor................................................................................................................... 78

Tabela 5.3 Valores das incertezas utilizados no clculo da incerteza da eficincia do coletor... 80

Tabela 5.4 Valores mdios para clculo da incerteza da energia associada aos coletores

solares. ....................................................................................................................... 81

Tabela 5.5 Valores mdios para clculos da incerteza da energia associada ao consumo. ......... 82

Tabela 5.6 Incertezas das variveis da energia associada s perdas trmicas ............................. 83

Tabela 5.7 Valores das variveis utilizadas no clculo da incerteza da energia associada as

perdas trmicas. ......................................................................................................... 84

Tabela 6.1 Balano de energia de ambos os sistemas ................................................................. 96

Tabela 6.2 Coeficientes utilizados nos clculos do balano de energia ...................................... 101

Tabela 6.3 Balano energtico dos sistemas para os diferentes horrios de consumo, ao longo

de trs dias ................................................................................................................. 102

Tabela 6.4 Estimativa das eficincias do sistema paralelo e srie .............................................. 103

Tabela 7.1 Parmetros dos sistemas de aquecimento de gua quente......................................... 107

Tabela 7.2 Alturas de conexo dos componentes do sistema paralelo, srie e horizontal .......... 107

Tabela 8.1 Alturas de conexes do coletor solar e aquecedor a gs das configuraes

simuladas. .................................................................................................................. 124

Tabela 8.2 Resultados das simulaes das configuraes mais eficientes utilizando 4

coletores solares......................................................................................................... 129

Tabela 8.3 Resultados das simulaes das configuraes mais eficientes utilizando 5

coletores solares......................................................................................................... 129

xx

Tabela 8.4 Custo do sistema de aquecimento de gua com energia solar (com 1 coletor solar). 131

Tabela 8.5 Custo do sistema de aquecimento a gs..................................................................... 131

Tabela 8.6 Custos dos sistemas. .................................................................................................. 132

Tabela 8.7 Custo dos combustveis em R$/MJ. .......................................................................... 133

Tabela 8.8 Valores presentes dos custos de implantao, manuteno, operao e total dos

sistemas de aquecimento simulados (cenrio 1). ....................................................... 134





Tabela 8.11 Valores da energia eltrica, botijo de gs e suas taxas de inflao. (ANEEL, 2005

e ANP, 2005) ............................................................................................................. 137

Tabela 8.12 Valores presentes dos custos dos sistemas de aquecimento (cenrio 4).................... 138

Tabela 8.13 Valores presentes dos custos dos sistemas de aquecimento (cenrio 5).................... 138

Tabela 8.14 Valores presentes dos custos dos sistemas de aquecimento (cenrio 6). ................... 139

CAPTULO 1

INTRODUO

A gerao de energia eltrica no Brasil depende quase que exclusivamente das

hidreltricas (95%), tendo muito pouca contribuio por outras formas de gerao de energia tais

como trmica a carvo, gs e nuclear e menos ainda de fontes alternativas como solar e elica

(PROCEL, 2003). Esta poltica de gerao de energia eltrica expe o pas a situaes como o

apago de 2001, que na ausncia de chuvas fez o sistema de gerao de energia e a economia do

pas entrar em colapso. Modificar a estrutura de uma matriz energtica um processo que

envolve planejamento de longo prazo, investimento e vontade poltica. A questo ambiental

aparece de pano de fundo em conjunto com a economia devendo nortear o planejamento para um

desenvolvimento sustentvel.

A recente crise de energia que o Brasil enfrentou renovou o interesse em fontes de

energias alternativas. De acordo com programa de conservao de energia eltrica do Brasil

(PROCEL, 2003), aproximadamente 25% do consumo de energia eltrica do setor residencial

so utilizados para aquecimento de gua para banho. O chuveiro eltrico o dispositivo de

aquecimento de gua mais utilizado no pas, estando presente em 70% dos lares brasileiros,

(ANEEL, 1998). A ABRAVA (1996) (Associao Brasileira de Refrigerao, Ar Condicionado,

Ventilao e Aquecimento) afirma em suas publicaes que mais de 6% de todo o consumo

nacional de energia eltrica, utilizado para alimentar chuveiros eltricos. A utilizao em larga

escala do chuveiro eltrico no Brasil deve-se ao relativo baixo custo do prprio chuveiro eltrico

e da energia eltrica. Atualmente o cenrio brasileiro indica uma previso de aumento da

demanda por energia eltrica superior a capacidade de aumento na gerao de energia eltrica

que os investimentos atuais sero capazes de realizar. Um fator agravante a utilizao do

chuveiro nos ditos horrios de pico, que sobrecarregam a rede de distribuio nestes horrios.

Segundo a Diretoria de Operaes da Eletrobrs, na hora de pico (entre 18:00 e 21:00h), os

chuveiros eltricos so responsveis por quase 20% do consumo nacional de eletricidade,

ANEEL (1998).

O aquecimento de gua utilizando aquecedores a gs tambm amplamente utilizado

no pas. Os sistemas apresentam eficincia da ordem de 80% para aquecedores de passagem e

85% para aquecedores de acumulao, considerando apenas a eficincia na transferncia de calor

2

entre a cmara de combusto e a gua e no no armazenamento de gua quente. Respeitando

aspectos de instalao, os aquecedores a gs podem ser considerados seguros. Embora resolvam

o problema da sobrecarga do horrio de pico que os chuveiros eltricos causam, a energia

utilizada de origem no renovvel e , portanto uma soluo no sustentvel.

Por outro lado o Brasil tem uma rea territorial imensa e toda ela com uma boa

incidncia de radiao solar. A utilizao da energia solar, uma energia renovvel, para

aquecimento de gua em residncias reduziria o problema eltrico e ambiental. Segundo

Tolmasquim (2003), o Brasil atingiu cerca de 1,3 milhes de metros quadrados de rea coletora

instalada (coletores solares), em 2001. Cerca de 80% deste valor corresponde a instalaes

residenciais de aquecimento solar de pequeno porte em circulao natural.

Sistemas de aquecimento de gua diferem entre si sob diferentes aspectos. Dentre os

principais pode-se citar o custo de implantao, custo de operao e atendimento ao perfil de

consumo. O chuveiro eltrico o que apresenta o menor custo de implantao, seguido dos

aquecedores a gs de passagem, aquecedores eltricos de acumulao, aquecedores a gs de

acumulao e, por ltimo, o aquecimento com energia solar.

O custo de operao funo do preo do combustvel utilizado, eficincia do

sistema de aquecimento e do perfil de consumo. Os sistemas de aquecimento com energia solar

diferem dos demais, pois necessitam de uma fonte auxiliar de energia para suprir a demanda de

gua quente em dias de baixa radiao solar. Este fato faz com que o custo de operao no se

mantenha constante, ficando dependente das condies climticas, eficincia e

conseqentemente da frao em que a fonte auxiliar ser utilizada, como demonstrado por

Schrder e Reddemann (1982).

A capacidade instantnea de suprir a demanda um fator limitante dos sistemas de

aquecimento de passagem. Nos casos em que necessrio fornecer grandes quantidades de

energia em curtos perodos de tempo, so favorecidos os sistemas que utilizam acumulao.

Nesta categoria encontram-se os aquecedores de acumulao que utilizam energia eltrica, gs e

energia solar.

Sistemas de aquecimento de gua com energia solar tradicionalmente utilizam

eletricidade como fonte auxiliar de energia. Como tais sistemas so projetados para suprir a

demanda mesmo nos meses de inverno, o alto custo da energia eltrica faz com que o

dimensionamento se d de forma que a frao da fonte auxiliar de energia seja pequena,

empregando uma grande rea de coletores solares. Esta prtica aumenta o custo de implantao e

fornece um excedente de calor no vero.

3

No Brasil o custo equivalente do gs (GLP ou GN) mais baixo que o da energia

eltrica (tarifa residencial). Este fato faz com que, no dimensionamento de sistemas de

aquecimento de gua com energia solar que utilizam gs como fonte auxiliar, possa ser proposta

uma frao da fonte auxiliar maior, com consequente rea menor de coletores. Nestes sistemas

pode-se utilizar um reservatrio trmico com maior capacidade volumtrica e temperatura de

operao mais baixa, resultando em menores perdas trmicas, como demonstrado por Krenzinger

et al (2002). Assim, alm do menor custo de implantao, obtida uma maior eficincia do

sistema solar ao longo do ano todo.

A eficincia dos coletores solares funo da radiao solar, temperatura ambiente e

da temperatura da gua na entrada do coletor. Quanto menor for a temperatura de entrada da

gua no coletor maior ser a eficincia deste e, conseqentemente, do sistema de aquecimento

solar. Algumas recomendaes para baixar a temperatura de entrada da gua no coletor so

listadas a seguir:

- Aumentar a relao volume do reservatrio e rea de coletores;

- Utilizao de reservatrio vertical, favorecendo a estratificao;

- Consumo de gua quente de manh.

As trs alternativas foram adotadas nos sistemas em estudo nesta tese. Deve-se ainda

considerar que o perfil de distribuio de temperatura no interior do tanque influenciado pela

posio, potncia e instante em que acionada a fonte de energia auxiliar.

A utilizao da energia solar para aquecimento de gua para fins residenciais,

industriais e comerciais vem aumentando nos ltimos anos no mundo todo. Percebe-se, no

entanto, que para uma disseminao mais intensa do uso destas tecnologias so necessrios

programas de apoio e estmulo promovidos por rgos governamentais. Um dos quesitos que

retarda a expanso deste mercado o custo inicial de um sistema de aquecimento de gua com

energia solar. Embora se saiba que estes sistemas apresentam um ciclo de vida elevado

(aproximadamente 20 anos) e que neste perodo eles conseguem facilmente pagar o investimento

inicial atravs da economia obtida no consumo de energia eltrica, a realidade econmica da

maioria das famlias brasileiras no permite adquirir tais sistemas.

1.1 Justificativa

No Brasil, a utilizao de sistemas de aquecimento de gua com energia solar

muito pequena devido aos seus altos custos de instalao. A utilizao de chuveiros eltricos, em

larga escala, sobrecarrega a rede de distribuio nos horrios de pico. O custo do gs natural ou

4

do gs liquefeito de petrleo menor do que a energia eltrica (tarifa residencial). Diante deste

cenrio o Laboratrio de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul prope

um sistema de aquecimento de gua que permite reduzir o custo de instalao de sistemas de

aquecimento de gua com energia solar e gs sem comprometer seu desempenho. O sistema de

aquecimento de gua com energia solar e gs proposto pode ser montado aumentando

gradativamente o nmero de coletores e conseqentemente diminuindo o custo de operao

(consumo de gs).

O comportamento trmico deste tipo de sistema no conhecido e programas de

simulao disponveis comercialmente no permitem variar as alturas das conexes dos

componentes dos sistemas ao reservatrio trmico. Para analisar o comportamento destes

sistemas foi desenvolvido um programa de simulao por computador, no mbito de um projeto

conjunto entre UFRGS, PETROBRS e FINEP. Para validar o programa de simulao foram

montados e monitorados trs sistemas que utilizam gs como fonte auxiliar de energia, no

Laboratrio de Energia Solar da UFRGS, para obter dados experimentais. Dois sistemas foram

montados com reservatrios verticais e um terceiro com reservatrio horizontal.

1.2 Objetivos

O objetivo principal desta tese realizar um estudo sobre a influncia que a forma de

conexo dos coletores solares e do circuito da fonte auxiliar de energia ao reservatrio exercem

sobre a eficincia e o custo de operao do sistema de aquecimento.

Para atingir o objetivo principal ser necessrio efetuar vrias etapas as quais

caracterizam-se como objetivos especficos:

1. Caracterizar os componentes do sistema;

2. Montar trs sistemas de aquecimento de gua com energia solar e gs;

3. Montar o sistema de aquisio de dados para monitorar as variveis envolvidas;

4. Desenvolver um programa de controle dos sistemas de aquecimento de gua;

5. Verificar os valores dos parmetros, obtidos na caracterizao dos componentes, com

os sistemas operando, atravs do balano de energia;

6. Gerar dados experimentais do comportamento dos sistemas de aquecimento;

7. Verificar experimentalmente a influncia do perfil de consumo na eficincia dos

sistemas;

8. Efetuar ajustes e validar o programa de simulao Aquesolgs;

9. Determinar a configurao que apresenta a melhor eficincia;

5

10. Efetuar uma anlise econmica da configurao mais eficiente e compar-la com

outros tipos de sistema para um caso de consumo na cidade de Porto Alegre.

1.3 Escopo da Tese

Para a apresentao da tese, este documento organizado em captulos.

O captulo 2 apresenta uma reviso bibliogrfica sobre as fontes de energia e os

sistemas de aquecimento de gua com energia solar. Descreve seus principais componentes,

parmetros de projeto, assim como aspectos econmicos e ambientais.

O captulo 3 apresenta a descrio dos sistemas propostos e analisados nesta tese,

bem como da central de aquisio de dados.

O captulo 4 apresenta a caracterizao dos componentes dos sistemas e detalhes da

montagem experimental. Descreve o mtodo de determinao dos parmetros de projeto. Um

programa desenvolvido em Visual Basic efetuou clculos de balano de energia, com os dados

gerados experimentalmente. A comparao dos resultados calculados com os resultados

experimentais comprovou a preciso dos parmetros obtidos.

O captulo 5 apresenta a anlise das incertezas das variveis experimentais e a

propagao destas incertezas no clculo do balano de energia dos sistemas.

O captulo 6 apresenta a metodologia de ensaio dos sistemas de aquecimento de gua

com energia solar e gs e os resultados experimentais dos diversos ensaios realizados.

O captulo 7 apresenta o programa de simulao por computador de sistemas de

aquecimento de gua com energia solar e gs, desenvolvido pela equipe do Laboratrio de

Energia Solar da UFRGS. Descreve os modelos adotados pelo programa, apresenta resultados da

validao do programa, resultados simulados comparados com resultados experimentais.

O captulo 8 apresenta a determinao da configurao mais eficiente assim com

uma anlise econmica de diferentes sistemas de aquecimento de gua. Apresenta comparaes

entre o sistema proposto e o sistema de aquecimento de gua com energia solar e apoio eltrico.

O captulo 9 apresenta as concluses e sugestes para trabalhos futuros.

CAPTULO 2

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Energia Eltrica

Por sua natureza, a energia eltrica uma forma de energia que no pode ser

armazenada. Assim, ela tem que ser produzida no momento em que se deseja utiliz-la ou

convertida em outra forma de energia para seu armazenamento. Esta caracterstica fundamental

determina as possibilidades tecnolgicas para seu fornecimento.

Devido a grande utilizao da energia eltrica na sociedade, o seu fornecimento deve

ser contnuo e ininterrupto. Ningum est disposto a ficar sem a energia eltrica, seja qual for o

perodo de tempo. Em pases em desenvolvimento, como o Brasil, o crescimento do consumo de

energia eltrica uma constante (entre 3 e 5 % a.a.). Mesmo nos perodos em que se verificou

uma estagnao econmica, o consumo no parou de crescer. Para atender a este consumo, novas

usinas geradoras, sistemas de transmisso e distribuio devem ser construdos. A construo de

novas usinas e sistema de transmisso est associada a grandes investimentos, longos prazos para

concluso das obras e significativos impactos ambientais. Quando economizada energia

eltrica, a energia no gasta pode ser fornecida a um outro consumidor, para prestao de um

outro servio, eliminando a necessidade de expanso do sistema.

natural que as atividades humanas interfiram no meio ambiente. Porm, quando a

interferncia atinge um nvel que desequilibra essa estrutura natural, ocorre o que se denomina

impacto ambiental. importante mencionar que todas as formas de gerao de energia eltrica

provocam interferncias no meio ambiente. Algumas so mais impactantes e outras menos.

As usinas hidreltricas provocam vrios impactos ambientais, como a inundao de

reas (destruindo a flora e a fauna), interferncia no curso natural dos rios e nos seus ciclos

(devido ao represamento e controle das guas) e deslocamento de populaes. As linhas de

transmisso tambm produzem impactos ambientais, embora de dimenso bastante inferior aos

das usinas de gerao.

A Tabela 2.1 apresenta a evoluo dos valores histricos das tarifas de energia

eltrica no Brasil. Observa-se que a tarifa sofreu sucessivos aumentos de 1986 at 1993, em 1994

7

e 1995 ocorreram duas quedas nos preos, voltando a subir entre 1995 e 2001. Cabe ressaltar que

verificando a evoluo dos preos de outros energticos neste mesmo perodo, observou-se o

mesmo comportamento da tarifa de energia eltrica. Esta informao bastante til em anlises

econmicas de sistemas que utilizam combustveis, como ser visto no captulo 8 desta tese.

Tabela 2.1 Tarifas mdias de energia eltrica, classe residencial, para o estado do

Rio Grande do Sul. ANEEL, 2005.

Ano Consumidor residencial

(R$/MWh)

1995 75,55

1996 104,16

1997 122,32

1998 129,42

1999 141,16

2000 156,95

2001 182,27

2002 210,75

2003 236,61

2004 274,16

O custo da energia eltrica para o setor residencial, adota um critrio de reduo de

tarifa em funo da faixa de consumo, como apresentado na Tabela 2.2, onde o valor de

referncia o consumo mensal residencial. Os valores da Tabela 2.2 devem ser acrescidos do

imposto sobre circulao de mercadorias (ICMS) apresentado na Tabela 2.3, para o clculo final

do custo do kWh.

Tabela 2.2 Tarifa convencional do setor residencial. CEEE 2005.

BAIXA TENSO CONSUMO Subgrupo B1-CLASSE residencial R$/kWh

Consumo mensal AT 30 kWh 0,106500 Consumo mensal DE 31 A 100 kWh 0,182610

Consumo mensal DE 101 A 160 kWh 0,273940 Consumo mensal SUPERIOR A 160 kWh 0,303500

Consumo mensal residencial 0,304360

8

Tabela 2.3 Alquota de ICMS em funo das Classes.

Alquotas de ICMS Classes 30% Residencial (+ de 50 kWh), comercial p. pb., serv. pbl. 17% Industrial 20% Iluminao pblica 7% Residencial at 50 kWh

30% Rural

2.2 Gs Natural

O gs natural um combustvel fssil encontrado em rochas porosas no subsolo,

podendo estar associado ou no ao petrleo. Sua formao resulta do acmulo de energia solar

sobre matrias orgnicas soterradas em grandes profundidades, do tempo pr-histrico, devido

ao processo de acomodao da crosta terrestre.

O gs natural permanece no estado gasoso, sob presso atmosfrica e temperatura

ambiente. Mais leve que o ar, o gs natural dissipa-se facilmente na atmosfera em caso de

vazamento. Para que se inflame, preciso que seja submetido a uma temperatura superior a

620C. Alm disso, incolor e inodoro, queimando com uma chama quase imperceptvel. Por

questes de segurana, o GN comercializado odorizado com enxofre. Alm dos benefcios

econmicos, o GN um combustvel no-poluente. Sua combusto limpa, razo pela qual

dispensa tratamento dos produtos lanados na atmosfera, apesar de, evidentemente, ser fonte de

liberao de CO2 na atmosfera.

Sua composio pode variar dependendo do fato do gs estar associado ou no ao

leo, ou de ter sido ou no processado em unidades industriais. A composio bsica inclui

metano, etano, propano e hidrocarbonetos de maior peso molecular (em menores propores).

Normalmente apresenta baixos teores de dixido de carbono, gua, compostos de enxofre e

nitrognio.

No uso em residncias, o gs natural chamado de "gs domiciliar". um mercado

em franca expanso, especialmente nos grandes centros urbanos de todo o Pas. As companhias

distribuidoras estaduais tm planos de grande ampliao de suas redes, e o aumento do consumo

de gs domiciliar demanda investimentos expressivos em converses e em recebimento e

adaptaes nas residncias.

No uso em automveis, nibus e caminhes, o gs natural recebe o nome de "gs

veicular", oferecendo vantagem no custo por quilmetro rodado. O gs natural no provoca

resduos de carbono nas partes internas do motor, o que, de um lado, aumenta a vida til do

9

motor e o intervalo de troca de leo e, do outro, reduz significativamente os custos de

manuteno.

A Figura 2.1 apresenta a evoluo dos preos do gs natural entre agosto de 2004 e

janeiro de 2005 para trs regies do pas, indicando uma tendncia de aumento dos preos nas

regies sul e nordeste e estabilidade na regio sudeste.

Figura 2.1 Preo mdio de revenda de Gs Natural. ANP, 2005.

So inmeras as vantagens econmicas do uso do gs natural, mas sua maior

contribuio est ligada diretamente na melhoria dos padres ambientais quando comparado com

outros combustveis. O uso do GN em substituio ao carvo ou leo combustvel assegura a

melhoria da qualidade do ar que se respira, baixando os ndices de poluio e,

consequentemente, de doenas respiratrias. Numa poca em que as atenes esto cada vez

mais voltadas para o meio ambiente, o gs natural apresenta-se como uma boa alternativa

energtica de hoje - um combustvel verstil, econmico e menos poluente que a maioria dos

outros, que ser disponibilizado em escala compatvel com a demanda nacional.

2.2.1 Gs Associado

aquele que, no reservatrio, est dissolvido no leo ou sob a forma de capa de gs.

Neste caso, a produo de gs determinada diretamente pela produo do leo. Caso no haja

condies econmicas para a extrao, o gs natural reinjetado na jazida ou queimado, a fim de

evitar o acmulo de gases combustveis prximos aos poos de petrleo. O gs natural no

10

associado mais interessante do ponto de vista econmico, devido ao grande acmulo de

propano e de hidrocarbonetos mais pesados.

Figura 2.2 - Reservatrio produtor de leo e gs associado. (COMPET, 2004)

2.2.2 Gs No Associado

aquele que, no reservatrio, est livre ou junto a pequenas quantidades de leo.

Neste caso, s se justifica comercialmente produzir o gs. As maiores ocorrncias de gs natural

no mundo so de gs no associado.

Figura 2.3 - Reservatrio produtor de gs no-associado. (COMPET, 2004)

2.3 Gs Liquefeito de Petrleo

O GLP - gs liquefeito de petrleo - pode ser separado das fraes mais leves de

petrleo ou das mais pesadas de gs natural. presso atmosfrica e temperaturas normalmente

encontradas no ambiente um produto gasoso, inflamvel, inodoro e asfixiante, quando aspirado

em altas concentraes. temperatura ambiente, mas submetido presso na faixa de 0,3 a 1,5

MPa, o GLP se apresenta na forma lquida. Deste fato resultam o seu nome - gs liquefeito de

petrleo - e a sua grande aplicabilidade como combustvel, devido facilidade de

11

armazenamento e transporte do lquido de GLP, a partir do seu engarrafamento em vasilhames.

Para que os vazamentos de gs sejam facilmente identificados, compostos a base de enxofre so

adicionados, apenas para lhe dar um odor caracterstico, sem lhe atribuir caractersticas

corrosivas.

O GLP consumido no Pas provm em sua maior parte do refino do petrleo. um

derivado composto da mistura de hibrocarbonetos com 3 e 4 tomos de carbono com ligao

simples, denominados de propano e butano. Ligaes duplas, propeno e buteno, tambm ocorrem

com freqncia, principalmente na corrente de GLP proveniente das refinarias. Constituintes

mais leves, como etano, e mais pesados como pentanos, so admitidos desde que a presso de

vapor a 37,8 C no ultrapasse o valor de 1,5 MPa ( o que limita a quantidade de leves) e o ponto

de ebulio de 95% do volume de gs, a 0,1 MPa, no ultrapasse o valor de 2C (caracterstica

conhecida como intemperismo, o que limita a quantidade de pesados). A quantidade de enxofre

limitada em 0,36 g/m, o que normalmente s obtido em refinarias aps a corrente de gs passar

por tratamento especfico.

A primeira etapa do processo de refino a destilao atmosfrica. Nela o petrleo

aquecido e fracionado em uma torre, de onde so extrados, por ordem crescente de densidade,

gases combustveis, GLP, gasolina, nafta, solventes e querosenes, leo diesel e um leo pesado,

chamado de resduo atmosfrico, extrado pelo fundo da torre. Em seguida este resduo

reaquecido e enviado para uma outra torre onde o fracionamento se d a uma presso abaixo da

atmosfrica, sendo ento extrada mais uma parcela de leo diesel e um produto chamado

genericamente de gasleo. O resduo de fundo desta destilao, chamada a vcuo, pode ser

especificado como leo combustvel ou asfalto, ou at mesmo servir como carga de outras

unidades mais complexas de refinao, sempre com o objetivo de se produzir produtos mais

nobres do que a matria-prima que os gerou.

O gasleo, por exemplo, serve como matria-prima para o processo de craqueamento

cataltico, onde altas temperaturas conjugadas presena de catalisadores qumicos partem as

molculas, transformando-o em gases combustveis, GLP, gasolina e outros produtos. Esta

unidade de craqueamento cataltico fludo, conhecida como FCC, a grande geradora de GLP

produzido nas refinarias brasileiras. Aps tratamento para remoo de enxofre e compresso dos

gases, a parte que se liqefaz temperatura ambiente armazenada em esferas e denominada gs

liquefeito de petrleo, GLP.

Outro processo de onde extrada parte do GLP consumido no Pas o que ocorre

nas Unidades de Processamento de Gs Natural, UPGN, nas quais as fraes mais pesadas do

gs so separadas da corrente, produzindo GLP e um derivado na faixa da gasolina. De cada

12

barril de petrleo a refinar, o rendimento em derivados varia de acordo com o tipo de petrleo, as

condies operacionais e, por ltimo, com os processos utilizados. Por exemplo, petrleos mais

leves geram maior quantidade de derivados leves, como gases combustveis, GLP e gasolina.

Petrleos pesados geram mais leo combustvel ou asfalto.

De qualquer forma existe uma limitao na quantidade de GLP produzida a partir da

refinao do petrleo. Atualmente, com a gama de tipos de petrleo processados e as unidades

em operao nas refinarias brasileiras, aproximadamente 9% do petrleo refinado transformado

em GLP. Em 1997, as unidades em operao nas refinarias, somadas com as UPGN, produziram

uma mdia mensal de cerca de 325.000 toneladas (t) de GLP, o que fica muito aqum da

demanda mdia brasileira de aproximadamente 525.000 t/ms. A diferena, em torno de 40% do

consumo, completada a partir de GLP importado. Da a importncia da existncia de projetos

de racionalizao do uso deste combustvel.

A opo de se aumentar a oferta de GLP simplesmente a partir do aumento da

capacidade de refino no revela-se a mais atraente do ponto de vista de custos, uma vez que o

aumento de 60% da capacidade de refino, necessrio para atender o mercado, acarretaria uma

sobra considervel de outros combustveis, principalmente gasolina e leo combustvel, e a

conseqente dificuldade de comercializ-los a preos atrativos. Desta forma, a menos que

acontea um rearranjo do perfil de consumo de derivados no Pas, a importao de GLP se far

presente ainda por muito tempo.

GLP comercializado no Pas em quase sua totalidade como uma mistura de gases

na faixa de hidrocarbonetos com 3 e 4 tomos de carbono. No entanto tambm esto disponveis

no mercado os principais componentes do mesmo em graus de pureza variados, quais sejam:

Propano Especial com concentrao mnima de 90% em volume de propano e mxima de 5% de

propeno; Propano Comercial com concentrao tpica de 90% em volume de propano; Butano

Comercial com concentrao tpica de 90% em volume de butano.

Os consumos de propano e butano respondem atualmente por menos de 1% da

demanda total dos gases na faixa do GLP. As aplicaes tpicas destes gases (fornecidos

desodorizados) so para pressurizao de aerossis, em substituio ao CFC que agride a camada

de oznio da atmosfera e no caso do propano especial como combustvel para corte e tratamento

trmico de metais.

O GLP largamente conhecido como "gs de cozinha", devido sua principal

aplicao como gs para coco de alimentos, estimada em mais de 90% da demanda brasileira.

Outras aplicaes comumente encontradas so as de combustvel industrial em fbricas e como

combustvel de empilhadeiras, utilizadas em ambientes fechados.

13

A forma de comercializao mais comum a de engarrafamento em botijes de 13

kg de gs. Estima-se que existam mais de 70 milhes de vasilhames deste tipo em circulao

pelo Pas. Cilindros de 45 kg de gs tambm so largamente comercializados, principalmente

para estabelecimentos comerciais. Recipientes com capacidades diferentes tambm podem ser

encontrados, mas em nmero muito menor. Em ambos, quando cheios, a presso fica em torno

de 1,5 MPa. A essa presso e temperatura ambiente, 85% do seu volume est no estado lquido

e 15 % no estado vapor.

A Figura 2.4 apresenta a evoluo dos preos do gs liquefeito de petrleo no

perodo de agosto de 2004 a janeiro de 2005 nas cinco regies do Brasil, indicando uma

tendncia de aumento de preos nas regies sul e sudeste e baixa de preos nas demais regies. O

botijo de gs de 13 kg comercializado em um valor aproximado de R$ 32,00 na regio sul.

Figura 2.4 Preo mdio de revenda de Gs Liquefeito de petrleo. ANP, 2005.

O Governo Brasileiro faz uma poltica social de apoio populao mais pobre,

subsidiando o GLP para uso domstico atravs de uma parcela embutida no preo de outros

combustveis, principalmente da gasolina. Devido a isto, o GLP tem uma penetrao muito

grande em todo o Pas, substituindo at mesmo parte da lenha para coco de alimentos na zona

rural. Por outro lado, preos baixos acarretam a utilizao indevida deste combustvel, em

veculos e utilitrios leves. Estas aplicaes so ilegais e muitas vezes perigosas, devido s

improvisaes e falta de regulamentao nos equipamentos que dele se utilizam.

A Tabela 2.4 apresenta um quadro comparativo das principais caractersticas dos

gases (GN e GLP), evidenciando as diferenas de poder calorfico, densidade e presses de

armazenamento.

14

Tabela 2.4 Comparaes entre GN e GLP. (CONPET, 2004)

GN GLP GS DE RUA GS DE REFINARIA

ORIGEM

RESERVATRIOS

DE PETRLEO E DE

GS NO

ASSOCIADO

DESTILAO DE

PETRLEO E

PROCESSAMENTO

DE GS NATURAL

REFORMA TERMO-

CATALTICA DE

GS NATURAL OU

DE NAFTA

PETROQUMICA

PROCESSOS DE REFINO

DE PETRLEO (CRAQ.

CATALTICO,

DESTILAO, REFORMA E

COQUEAMENTO

RETARDADO)

PESO MOLECULAR 17 A 21 44 A 56 16 24

PODER CALORFICO

SUPERIOR (kJ/m)

RICO: 45627

PROCESSADO:38930 100464 A 133792 18000 41860

DENSIDADE (kg/m) 0,58 A 0,72 1,5 A 2,0 0,55 0,82

PRINCIPAIS

COMPONENTES METANO E ETANO

PROPANO E

BUTANO

HIDROGNIO,

METANO,

NITROGNIO,

MONXIDO E

DIXIDO DE

CARBONO

HIDROGNIO,

NITROGNIO, METANO E

ETANO

PRINCIPAIS

UTILIZAES

RESIDENCIAL,

COMERCIAL,

AUTOMOTIVO E

GERAO

TERMELTRICA.

INDUSTRIAL,

PETROQUMICA E

SIDERRGICA

INDUSTRIAL,

RESIDENCIAL E

COMERCIAL

RESIDENCIAL E

COMERCIAL

INDUSTRIAL,

PETROQUMICA

PRESSO DE

ARMAZENAMENTO 200 ATM 15 ATM - -

Nesta tese ser trabalhado com gs GLP por no haver canalizao de gs natural

instalada nas proximidades da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, por ser muito

complicado o processo de aquisio/transporte/instalao de gs natural veicular (GNV) em

cilindros e por seu elevado custo (aproximadamente 28 R$/m) quando comprado a granel de

empresas de comercializao de gases. Os aquecedores a gs utilizados nos ensaios

experimentais poderiam utilizar gs natural mediante aumento na regulagem da vazo do gs,

por apresentar menor poder calorfico superior e menor densidade que o gs GLP.

15

2.4 Energia Solar

O Sol a estrela mais prxima da Terra. A sua estrutura e caractersticas determinam

a natureza da energia irradiada no espao. constitudo por matria gasosa, principalmente

hidrognio, possui uma temperatura efetiva de corpo negro de aproximadamente 5777 K. Emite

radiao eletromagntica entre os comprimentos de onda de 0,2 e 25 m, estando a faixa do visvel localizada entre 0,38 e 0,78 m. A intensidade da radiao varia com o comprimento de onda e atinge 95% do total da energia solar dentro do intervalo de 0,3 a 2,12 m. A energia recebida, por unidade de tempo, em uma rea unitria perpendicular

direo de propagao da radiao e medida na distncia mdia entre o Sol e a Terra, fora da

atmosfera, chamada de constante solar e assume o valor de 1367 W/m, segundo Duffie (1991).

A radiao que incide em um determinado ponto na superfcie da terra inferior a

constante solar, pois ao atravessar a atmosfera parte desta radiao absorvida e ou refletida

(causando espalhamento da radiao, disperso) pelos constituintes da atmosfera, tais como

poeira, vapor dgua, ar e aerossis.

Para calcular a radiao solar que atinge uma superfcie horizontal na Terra,

necessrio estabelecer algumas relaes geomtricas entre a posio do Sol no cu e as

coordenadas desta superfcie na Terra, conforme apresentado em Duffie (1991).

2.5 Componentes de Sistemas de Aquecimento de gua com Energia Solar

Os sistemas de aquecimento de gua com energia solar so constitudos por coletores

solares, reservatrios trmicos, reservatrios de gua, fonte auxiliar de energia e tubulao.

2.5.1 Coletores Solares

O cientista Horace-Bndict de Saussure o responsvel pela analogia entre o

envidraamento de uma estufa e a atmosfera terrestre. Em 1780 ele realizou uma demonstrao

experimental, que posteriormente foi citada por Fourier e Pouillet, com o objetivo de mostrar o

efeito da energia solar sobre o ar em funo da altitude. Construiu um dispositivo composto por

cinco caixas de vidro, encaixadas umas nas outras e equipadas de termmetros. O objetivo era

mostrar o efeito da radiao solar sobre a temperatura do ar contido nas caixas transparentes.

Realizou ensaios nos cumes de montanhas e nos vales. O seu helio-termmetro est na origem

16

dos coletores solares e conseqentemente da tecnologia solar alternativa, descrita pelo fsico

Andr Mouchot (1825-1912) em Chaleur solaire et ses aplications.

O coletor solar um equipamento que capta a energia irradiada pelo Sol e converte

esta energia em calor til. um tipo especial de trocador de calor, pois a maioria dos trocadores

de calor realiza a transferncia de calor de fludo para fludo, com alta taxa de transferncia,

pouco importando a parcela radiante. J no coletor solar a transferncia de energia ocorre entre

uma distante fonte de energia radiante e um fludo.

Existem dois tipos de coletores, os coletores de concentrao e os coletores planos. O

coletor de concentrao utilizado para atingir temperaturas mais elevadas, seu princpio de

funcionamento baseia-se em focalizar a energia radiante para um absorvedor, utilizando uma

lente de Fresnel ou um espelho parablico. Estes coletores conseguem atingir temperaturas

elevadas, pois concentram a energia proveniente do Sol no absorvedor que apresenta uma rea

reduzida o que diminui as perdas trmicas. Para que a energia radiante seja focalizada no

absorvedor necessrio que os coletores acompanhem o movimento aparente do sol, requerendo

um dispositivo motorizado de rastreamento do sol. Este dispositivo caro, complexo e exige

manuteno.

Coletores solares planos so geralmente utilizados em aplicaes que requerem um

fornecimento baixo de energia para atingir temperaturas inferiores a 100C. So considerados

equipamentos simples do ponto de vista de fabricao e quase no requerem manuteno, por

no apresentarem partes mveis. A placa absorvedora a prpria superfcie que recebe radiao.

constitudo por uma placa absorvedora, tubulao por onde escoa o fludo que ir trocar calor,

cobertura transparente e isolamento trmico.

Quando a radiao incide no coletor, boa parte da mesma atravessa a cobertura, uma

parte menor refletida e outra absorvida pela cobertura. A maior parte da frao que

atravessou a cobertura absorvida pela placa absorvedora, de cor preta e de material bom

condutor de calor, esta emite radiao em uma faixa de comprimentos de onda maiores que a da

radiao incidente, devido a baixa temperatura em que se encontra. Para esta faixa de

comprimentos de onda a cobertura, geralmente vidro, opaca e no deixa passar a energia

radiante. A cobertura ento absorve esta energia e emite novamente, causando efeito estufa. A

energia absorvida pela placa removida pelo fludo que escoa no interior dos tubos, que esto

em contato trmico com a placa absorvedora. O fludo, geralmente gua (no Brasil), circula por

termossifo at um reservatrio trmico, onde a energia ser armazenada.

O coletor plano apresenta uma srie de vantagens sobre os coletores de concentrao,

tais como:

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- Simplicidade de construo;

- Relativo baixo custo;

- Baixa manuteno;

- Facilidade de operao em dias nublados;

- Alta durabilidade

Zilles (1987) realizou ensaios experimentais, no Laboratrio de Energia Solar da

UFRGS, comparando testes de coletores solares planos, atravs da determinao da eficincia

trmica instantnea em regime quase permanente. Foram comparados os resultados dos ensaios

realizados com simulador solar e com radiao solar. Os ensaios realizados com radiao solar

utilizaram a mesma bancada de testes, Aquaterm ws83, que a utilizada para determinar a

eficincia trmica instantnea dos coletores utilizados nesta tese. O mtodo de determinao da

eficincia instantnea assim como outras normas internacionais so apresentadas. Os resultados

permitiram obter uma correlao entre os ensaios indoor com os outdoors. A utilizao do

mtodo indoor para efetuar testes em coletores, permite o levantamento dos pontos nas

condies prescritas na norma, em apenas 8 horas, tornando-se rpida a caracterizao do

coletor.

Marroquin (1989) efetuou ensaios experimentais de diversos tipos de coletores,

variando parmetros de geometria e materiais. Com o resultado destes testes experimentais

validou um programa de computador desenvolvido por ele para determinar a eficincia

instantnea de coletores em funo de materiais. Utilizou diversos materiais tais como: cobre,

alumnio, ferro em diversas espessuras, variou a quantidade de tubos assim como o espaamento

entre eles com o intuito de determinar a melhor relao de custo/benefcio dos coletores. O

programa calcula a curva da eficincia trmica instantnea dos coletores utilizando a teoria de

Hottel, Whillier e Bliss mencionada por Duffie e Beckman (1991) e fornece uma relao de

custo/benefcio. alimentado por dados de geometria do coletor e caractersticas dos materiais

utilizados.

Mveh (1999) realizou testes experimentais de coletores solares sem cobertura

analisando a influncia do vento sobre a eficincia dos mesmos. Estes ensaios foram realizados

no Laboratrio de Energia Solar da UFRGS utilizando a mesma bancada de teste utilizada por

Zilles, Marroquin e nesta tese. Tambm se efetuou a comparao entre os resultados

experimentais e os tericos, obtidos seguindo-se os modelos matemticos propostos por Sharples

e Charlesworth (1998). Os resultados desta comparao mostraram-se bastante satisfatrios.

Verificou-se, como era esperado, que a ao do vento sobre coletores solares sem cobertura

18

diminui eficincia dos mesmos e que no exerce tanta influncia quando o coletor possui

cobertura de vidro.

Costa (2002) investigou os limites de aplicabilidade de coletores sem cobertura para

aquecimento de gua domstica, utilizando um procedimento de clculo do comportamento

trmico do sistema para dias tpicos em cidades de diferentes climas. Utilizando a bancada

Aquaterm ws 83 caracterizou o coletor em estudo (sem cobertura) obtendo a curva de eficincia

trmica instantnea do mesmo, para duas faixas de velocidade de vento. Efetuou simulaes com

os dados do coletor em diversas cidades e comparou os resultados obtidos com coletores com

cobertura. Concluiu que a utilizao de coletores solares sem cobertura interessante em

localidades cuja temperatura mdia seja superior a 20 C, pois a ao do vento sobre os coletores

sem cobertura, em temperaturas inferiores a indicada, aumentam demasiadamente as perdas

trmicas.

2.5.2 Reservatrios Trmicos

Uma limitao do uso de energia solar para aquecimento de gua para banho a

defasagem entre a disponibilidade da energia e a hora do consumo. Devido a esse fato torna-se

necessria a utilizao de um reservatrio de armazenamento isolado termicamente, o que

diminui a eficincia do sistema.

Os reservatrios podem ser de dois tipos: os fechados ou pressurizados e os

reservatrios abertos ou no pressurizados. Os reservatrios fechados trabalham sob presso

acima da atmosfrica, geralmente pressurizados por uma caixa de gua mais elevada, que

proporciona a alimentao do sistema. J os reservatrios abertos trabalham nivelados com outra

caixa dgua ou, por um sistema de bia, recebem alimentao de outra caixa em nvel superior

ou diretamente da rua. Os reservatrios abertos trabalham sempre em presso atmosfrica

independente da forma de alimentao. Os reservatrios utilizados nesta tese so do tipo aberto

com alimentao por uma caixa dgua nivelada com o reservatrio.

ASHRAE (1996) afirma que o projeto e seleo do equipamento de armazenamento

um dos elementos mais negligenciados nos sistemas de energia solar, alm de recomendar o

uso de reservatrios na vertical, pois dessa forma propicia a estratificao trmica.

Muitos autores recomendam que seja utilizado um reservatrio de volume

proporcional rea de coletores solares utilizada. Esta proporo est entre 50 e 100 litros por

metro quadrado de coletor. Neste trabalho esta proporo ultrapassada uitilizando-se uma

relao de 330 litros por metro quadrado de coletor. A relao entre 50 e 100 l/m foi estipulada

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com base numa metodologia de dimensionamento que utiliza energia eltrica como fonte de

energia auxiliar. Na metodologia proposta, utiliza-se gs e, devido ao seu relativo baixo custo,

aumenta-se a parcela em que o gs contribui para o aquecimento da gua do sistema.

Segundo Krenzinger (2002), em sistemas de aquecimento solar usual utilizar um

reservatrio com um volume de aproximadamente o dobro do volume de gua quente a ser

consumido em um dia. Nesta hiptese est includa uma temperatura relativamente alta (em

torno de 60 a 70C).

No modelo proposto neste trabalho o volume deve ser maior para trabalhar com

temperaturas mdias mais baixas. Uma anlise simples demonstra que reservatrios maiores so

energeticamente mais favorveis, relativamente, que reservatrios menores, levando em conta

que a rea aumenta com o tamanho do reservatrio, mas o volume aumenta proporcionalmente

mais (rea aumenta com o quadrado e volume com o cubo da dimenso).

Considere-se um reservatrio cilndrico vertical isolado, com um coeficiente de

transferncia de calor U independente da superfcie analisada (topo, fundo e lateral tem o mesmo

coeficiente) e com raio R e altura H. A rea calculada como A=(2R+2RH) e considerando Tq a temperatura da gua interna (uniforme) e Ta a temperatura exterior, o fluxo de calor total

pelas paredes do reservatrio seria q=UA(Tq-Ta). Por outro lado usando a temperatura ambiente

como referncia, verifica-se que a energia armazenada pode ser expressa pela equao 2.1:

( )aqpa TTcVQ = (2.1)

onde V o volume (RH), a massa especfica da gua na temperatura Tq, cp o calor especfico da gua na temperatura Tq. Logo, pode-se definir M=Qa/q como uma figura de mrito

diretamente proporcional qualidade proporcionada pela forma do acumulador. Quanto maior M

tanto melhor seria o reservatrio.

Fixando a razo de aspecto do reservatrio de forma que H=3R, pode-se verificar

que:

U

RcM p

83 = (2.2)

indicando a vantagem de reservatrios maiores. Para manter a quantidade de calor e ainda

aumentar o volume, a temperatura de acumulao seria mais baixa. Este valor de temperatura,

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entretanto no pode baixar de um valor mnimo (45C) sob pena de no atender qualidade da

demanda.

Segundo Shah et al (2003), a estratificao trmica em sistemas de aquecimento de

gua com energia solar que utilizam acumulao (a grande maioria), o fator de maior influncia

na eficincia destes sistemas. Dependendo da geometria do reservatrio (altura principalmente) e

das vazes de entrada e sada dos reservatrios pode ocorrer a desestratificao trmica. O autor

sugere a utilizao de difusores nas entradas e sadas dos reservatrios assim como vazes baixas

para evitar a formao de jatos que so capaze

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TESE -Análise Energética de Sistemas de Aquecimento de Água Com Energia Solar e Gás