V Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
EFICIENCIA EM COLETORES SOLARES PARA PISCINA FEITO COM TUBOS
DE POLIETILENO
Anderson Thiago Pontes Stefanelli
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Vicente Luiz Scalon
Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
RESUMO
O uso da energia solar está cada vez mais presente nos dias de hoje, devido a
preocupação com o meio ambiente, a busca de fontes renováveis e o custo da energia elétrica
a energia solar tem tido um papel fundamental no mundo atual. O aquecimento de água de
piscinas, seja para uso terapêutico ou para conforto, constitui uma das aplicações da energia
solar mais viáveis, pelas vantagens da economia e eficiência que apresenta em relação a outros
sistemas que utilizam energias convencionais. Porém, para utilizar este tipo de energia ainda é
necessário um elevado custo inicial Uma das maiores dificuldades de reduzir o custo é a
substituição dos coletores solar tradicionais feitos de tubos de cobre por um material de custo
menor e com eficiência satisfatória. No sentido de reduzir este custo e manter a eficiência do
coletor, tem ganhado importância à busca por materiais e métodos com um menor valor. Este
trabalho se propõe em analisar a eficiência de um modelo de coletor solar para piscina
diferente do modelo tradicional. Este novo modelo é feito de tubos de polietileno, enrolados,
formando uma geometria “tipo caracol”. Com a utilização deste novo modelo de coletor solar
para piscina pode-se reduzir o custo inicial de 50 a 60%, permitindo assim que instituições,
academias, clubes e residências utilizem piscina com água aquecida.
PALAVRAS-CHAVE: Energia Solar, aquecimento de piscina, coletor de polietileno, coletor
solar
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1 INTRODUÇÃO
Uma das principais características de nossa sociedade, é o aumento cada vez maior da
demanda por abastecimento energético. Investimentos científicos, político, tecnológico e
financeiro realizado permitiram demonstrar que alguns campos de aplicação da energia
convertida a partir de recursos energéticos renováveis eram tecnicamente domináveis e
economicamente vantajosos para seus utilizadores. Entre estes se encontram algumas
aplicações da energia solar. O aquecimento de água de piscinas, seja para uso terapêutico ou
para conforto, constitui uma das aplicações da energia solar mais viáveis. Isso se deve pela
vantagem econômica e significativa eficiência apresentada com relação a outros sistemas que
utilizam energias convencionais. Sistemas tradicionais de aquecimento auxiliar de água de
piscinas estão sendo instalados com menor freqüência conforme Elisa Ruiz e Pedro Martínez
(2009).
O aquecimento para piscinas se torna necessário devido ao pequeno tempo de uso da
mesma em períodos frios ao longo do ano. A temporada de natação aberta estende-se de
dezembro a março, mas mesmo neste curto período, alguns dias são demasiadamente frios
para o uso, porém em dias quentes as primeiras horas da manhã são geralmente frias. O uso de
aquecedores convencionais começou a ser desvantajoso devido ao custo da energia segundo
Hahne e Kübler (1994), por esta razão um projeto é proposto para a energia solar ser utilizada
em piscinas para que a estação de natação seja ampliada de novembro a abril durante todo o
dia. Para se obter uma eficiência satisfatória no aquecimento solar para piscina Rafael
Almanza e Javier Lara (1994) citaram que os parâmetros metereológicos são uns dos
principais fatores para obter um resultado satisfatório, através dos resultados obtidos em
diversas partes do mundo por Jirka e Watanabe (1980a) e Jirka e Watanabe(1980b) pode-se
perceber a importância do mesmo.
O sistema de aquecedor solar tem como principal vantagem o uso de energia limpa e
renovável, em comparação com outros sistemas como óleo, gás e energia elétrica. Estudos
comprovam que existem mais de 5,9 milhões de piscinas aquecidas somente nos EUA
consumindo bilhões de dólares, a energia solar entra nesse mercado como uma alternativa sem
a necessidade de ter um gasto para gerar essa energia visto que ela vem proveniente da
radiação do sol conforme Smith et al. (1994)
Porém, para utilizar este tipo de energia ainda é necessário um elevado custo
inicial. Uma das maiores dificuldades de reduzir o custo é a substituição dos coletores solar
tradicionais feitos de tubos de cobre por um material de custo menor e com eficiência
satisfatória. No sentido de reduzir este custo e manter a eficiência do coletor, tem ganhado
importância à busca por materiais e métodos com um menor valor. Este trabalho se propõe em
analisar a eficiência de um modelo de coletor solar para piscina diferente do modelo
tradicional. Este novo modelo é feito de tubos de polietileno, enrolados, formando uma
geometria “tipo caracol” (conforme ilustrado na Fig.1).Neste trabalho considerou-se uma
piscina com área superficial de 18 m2 e volume de 25.2 m3, a qual está localizada na cidade de
Bauru na região sudeste do Brasil. Para a realização deste estudo a piscina utilizada possui
apenas um sistema de filtragem simples, ou seja, não apresenta sistemas auxiliares de
aquecimento convencionais.
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Figura 1- Esquema de funcionamento do coletor solar
Nesse projeto há interesse na quantidade de energia que um determinado corpo é capaz
de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. A utilização
dessa forma de energia implica em como captá-la e armazená-la. Os equipamentos mais
difundidos com o objetivo específico de se captar energia solar fototérmica são conhecidos
como coletores de energia solar. Os coletores de energia solar são, hoje, largamente
utilizados para aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, etc., devido à economia
e redução no consumo de energia elétrica.
Os coletores residenciais são feitos em estrutura de alumínio e canos de cobre e sofrem
a corrosão pelo cloro, presente no tratamento de piscinas. O cloro úmido é muito corrosivo à
maioria dos metais comuns, principalmente o cobre, por causa do ácido clorídrico e
hipocloroso formados pela hidrólise (quando o cloro reage com água pura, forma-se uma
solução fraca de ácido clorídrico e ácido hipocloroso Cl2 + H2O = HCl + HOCl).
No passado, os coletores solares usados para o aquecimento de piscinas nos Estados
Unidos eram predominantemente de cobre. Atualmente, conforme dados do Departamento de
Energia e o SRCC (Solar Rating & Certification Corporation), do total de coletores solares
para piscinas comercializados, apenas 1% são de cobre.
O funcionamento deste novo tipo de aquecedor solar é simples, basicamente o
princípio de funcionamento é o mesmo que se verifica com o aquecedor solar tradicional. A
ação da radiação solar se faz cada vez mais presente a medida que a pintura se aproxima da
cor preta.
Neste trabalho o coletor solar se resume em uma tubulação de polietileno, exposta ao sol,
onde a água da piscina passa por dentro da tubulação sendo aquecida pela luz do sol. Este tipo
de aquecedor solar possui 2 termômetros, um para medir a temperatura da água da piscina e
outro para medir a temperatura da água que passa pela tubulação. Isso ocorre, pois um
controlador digital é acionado quando a diferença de temperatura entre estes 2 termômetros
for maior do que 5°C, ligando a bomba para circular a água da piscina para o aquecedor solar.
Quando a diferença entre os sensores for menor do que 3°C, o termostato desliga a bomba.
O resultado esperado é quantificar a eficiência deste coletor solar e comparar seu
custo-benefício com o sistema tradicional de aquecer água de grandes reservatórios como a
piscina.
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Figura 3 - Esquema de ligação
O sistema de aquecimento solar para piscina é composto de coletores solares, tubulações de
interligação entre os coletores e a piscina, uma moto bomba, controlador e capa térmica. É
especificamente projetado para captar os raios do sol e transferir seu calor para aquecer a água
que circula em seu interior. A circulação da água entre os coletores e a piscina, que funciona
como reservatório, é feita através de uma moto bomba, que é acionada automaticamente pelo
controlador diferencial de temperatura.
O sistema com uso de aquecedor solar foi projetado para estender a temporada de uso
de uma piscina. A energia solar é uma fonte abundante de energia, porém as mudanças
climáticas são imprevisíveis e muitas vezes drásticas. Levando-se em conta a infinidade de
particularidades de cada região, torna-se difícil prever com exatidão, qual será a temperatura
da água aquecida e por quanto tempo a piscina permanecerá aquecida. A perda de calor para o
ambiente é acentuada se a piscina não é coberta e, uma vez que o sistema funciona por
acúmulo de calor, a performance máxima do sistema só será obtida com a inclusão da capa
térmica flutuante, que reduz a perda de calor em até 80%.
O calor perdido pela superfície da água para o ar, pode ocorrer por:
Perdas por condução: Transferência de calor de um material para outro através do contato
físico de suas moléculas. Desta forma, uma piscina perde calor através de suas paredes. Nas
piscinas de concreto e fibra de vidro, as perdas por condução são pouco acentuadas.
Perdas por convecção: Na piscina ocorre normalmente uma convecção natural, pois a água
mais quente (densidade menor) tende a subir para a superfície formando uma massa térmica
homogênea. 0 contato da capa com a água ajuda a diminuir as perdas, pois as correntes de ar
não alcançam a superfície da piscina.
Perdas por evaporação: A evaporação não é um mecanismo de transferência de calor, mas é
responsável por consideráveis perdas de energia nas piscinas sem cobertura. Cada vez que um
litro de água se evapora, perde-se para o ambiente 0,66 kwh de calor. As perdas por
evaporação são maiores em climas secos; porém, mesmo nos climas úmidos a evaporação é
responsável por grande parcela dessas perdas. A evaporação representa cerca de 70% das
perdas de calor, e a convecção quase que todo o restante. O uso da capa também é
recomendável quando o aquecimento é feito por Bomba de Calor.
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Desvantagens: A capa térmica flutuante é descartável e com uma duração média de apenas
um ano. Mesmo que exista proteção anti-uv não se conseguirá prolongar seu uso, pois haverá
desintegração da parte de contato direto da capa com a água, com observação de rupturas nas
bolhas, pelos produtos químicos usados na desinfecção da piscina, o que a fará perder o poder
de flutuação. Outro fator é que a capa não é tão fácil de ser retirada como pode parecer. Isto se
verifica em piscinas de médio para grande porte, quando da ausência de um enrolador de capa.
O enrolador de capa custa caro e geralmente fica aparente, mesmo sendo móvel.
Para que o sistema de aquecimento solar atenda às necessidades e expectativas é muito
importante que o dimensionamento do sistema seja realizado de forma correta. Alguns fatores
devem ser levados em conta ao se fazer este dimensionamento. Os principais são:
• Localidade onde será instalado o aquecedor
• As dimensões da piscina a ser aquecida
• A aplicação da piscina (lazer doméstico, lazer coletivo, academia, terapêutica, etc.)
• O entorno da piscina (se há cobertura ou não, bloqueio de ventos, etc.)
• A incidência solar na região onde se pretende instalar os coletores solares
• Sombras significativas
Com o formato circular na superfície dos coletores e uma central de controle
automática programável e inteligente, possibilitam um melhor aproveitamento dos raios
solares nos horários de maior insolação. Além disso, o usuário é quem determina o tempo de
funcionamento do aquecimento com filtragem simultânea de sua piscina.
O sistema possui uma durabilidade prevista entre 10 a 15 anos, podendo até ser maior.
Na fabricação dos coletores são utilizados tubos de polietileno, estruturas de alumínio, matéria
prima virgem e aditivos Anti UV importados, que aumentam a sua longevidade. Na parte
elétrica do controle automático, são utilizados contatores de potência superior ao requerido, a
fim de se evitar manutenção periódica.
Foi desenvolvido visando trabalhar com maior volume de água, o que permite ter
eficiência mesmo quando a água aquecida no telhado tem de percorrer grandes distâncias até
chegar na piscina, em longas tubulações. Os coletores convencionais possuem pequeno
volume de água e quando instalados onde existam grandes distâncias entre telhado e piscina,
perdem a maior parte do calor captado conduzindo para a terra, através dos tubos que levam a
água até a piscina. Com este tipo de coletor essa perda praticamente não existe, o que o torna
mais eficiente que qualquer outro coletor existente, também é o único coletor que pode ser
instalado abaixo do nível da piscina. Nos coletores convencionais, isso não é permitido, pois
suas paredes finas não suportam pressão negativa.
Vantagens do coletor feito de tubos de polietileno:
•
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•
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Custo irrisório de manutenção;
Grande área de absorção;
Alto grau de eficiência;
Material resistente aos raios UV;
Coletores na cor preta
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Sem risco de corrosão;
Material inteiramente atóxico;
Sem risco de calcificação;
Opera em vários ângulos de inclinação;
• Leve e flexível;
• Fácil instalação;
• Anticongelamento;
• Resistente a altas pressões;
• Usa polipropileno como matéria-prima;
O coletor solar feito de tubos de polietileno para aquecer água, é indicado para
aquecimento de piscinas, mas também se pode aplicar em outras situações de temperaturas
baixas, como retorno para um furo de energia geotérmica. Neste momento o aquecimento de
piscinas particulares é a área mais usada pela energia solar. Para as piscinas públicas grandes,
parques de campismo e equipamentos desportivos também é uma solução de alto rendimento
e com rápido retorno do investimento
Figura 1: Coletor Solar feito de tubos de polietileno
Características do coletor
•
1,6m de diâmetro
•
100m de tubos enrolados formando uma geometria “tipo caracol”
•
1/2” de diâmetro interno
•
2,5mm de espessura da parede do tubo
•
Polietileno
•
Pressão de trabalho 25MCA
•
Estrutura feita de alumínio
•
Peso aproximadamente de 15kg (vazio)
2 METODOLOGIA
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Para se fazer uma instalação de aquecimento solar para piscina, devemos seguir as
seguintes premissas. Numa situação de regime permanente,quando a piscina atingiu a
temperatura de equilíbrio que foi desejada,os principais fatores de perda de energia da massa
de água ocorrem na superfície da piscina por evaporação e irradiação à noite. O volume da
água da piscina influi muito pouco em relação à área da superfície. Desta forma,é mais
importante tomarmos a área da superfície da piscina para a base de cálculo da área necessária
de coletor solar.
Deve-se também levar em conta o grau de exposição da piscina, isto por que as perdas
por evaporação e convecção aumentarão em função da velocidade do vento sobre a piscina.
Uma capa térmica para a mesma, fabricada com material translúcido e instalada sobre a
superfície da água permite a energia solar incidente sobre a piscina seja absorvida pela água e
ao mesmo tempo reduz significantemente as perdas por evaporação. A melhor eficiência do
sistema de aquecimento (seja solar ou a gás) é obtida com o uso conjunto do sistema proposto
e a capa da piscina.
Os coletores solar pode ser fixado ao nível do solo, em telhado, laje e com a inclinação
recomendada. A instalação dos coletores numa distancia maior referente ao ponto aonde esta a
piscina não implica em problema desde que a tubulação seja devidamente bem feita. A
posição ideal é a dos coletores ficarem direcionados ao Norte, em local ensolarado. Porém um
desvio na orientação dos coletores de até 60º para Leste ou Oeste não afetará de forma
significativa a eficiência do sistema de aquecimento.
Outro ponto que deve ser informado é montar um sistema com uma bomba separada,
isto é, uma bomba para circular a água nos coletores de forma independente do sistema de
filtragem. A vantagem deste sistema é que o circuito hidráulico fica independente
completamente e com isto obtém a máxima eficiência dos coletores. Para se controlar a
temperatura, usamos um termostato diferencial que é um controlador que opera um rele
baseado na medição de um diferencial de temperatura. Os contatos do relé são usados para o
controle da bomba e as válvulas eliminadora de ar. No sistema de aquecimento da piscina o
diferencial deve ser regulado de modo a ligar o sistema quando houver uma diferença de 3ºC
entre os coletores e a água da piscina e desligar o sistema no momento em que a diferença
cair entre 0,5ºC a 2ºC.
Para atender os objetivos propostos neste trabalho, o método utilizado foi o seguinte:
-Eficiência do coletor tradicional para aquecimento de piscinas: Dimensiona-se um
aquecedor tradicional para piscina e faz-se a medição da temperatura e o tempo em que o
aquecedor demora a aquecer a piscina a uma determinada temperatura.
-Eficiência do coletor feito com tubos de polietileno: Com base nas propriedades físicas do
polietileno, na radiação solar e na quantidade de calor transferida para a água realizada através
de experimentos determinaremos a eficiência deste coletor solar feito com tubos de
polietileno, sem nenhuma melhoria enunciada nos desafios científicos e tecnológicos.
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-Determinação do procedimento para dimensionamento dos coletores: nesta etapa será
estudado o procedimento correto para dimensionar o tamanho dos coletores para determinado
tamanho de piscina, já que sabemos sua eficiência através da etapa anterior.
-Experimentos para aumento da eficiência do coletor: Nessa etapa iremos ter como base o
resultado obtido na etapa anterior, com base no valor da eficiência deste coletor iremos fazer
alguns experimentos com a finalidade de aumentar essa eficiência. Esses experimentos serão:
-espessura correta do tubo
-espaçar os tubos entre si a uma determinada distância
-utilizar uma chapa por debaixo dos tubos para aquecer a parte inferior do tubo
-Verificação dos resultados: Com os resultados obtidos, pode-se comparar os valores da
eficiência antes e depois dos experimentos
-Comparativo: Com base nos resultados obtidos, faz-se uma comparação da eficiência entre a
temperatura e o tempo de aquecimento entre os dois tipos de coletores. Coletor tradicional x
Coletor feito de tubos de polietileno.
-Dimensionar um sistema de aquecimento solar para piscina: Através dos resultados da
eficiência do coletor podemos dimensionar um aquecedor para piscina, com isso, podemos
quantificar o valor gasto e comparar com um sistema tradicional de aquecedor solar para
piscina.
-Elaboração do relatório:sistematizar o conhecimento obtido de forma a gerar um relatório
cientifico. Utilizar e discutir os resultados obtidos e avaliar as vantagens deste novo sistema
proposto para aquecer a água da piscina
5) Disseminação e avaliação
Por meio de um ensaio de aquecimento solar para piscina com o coletor solar
tradicional,serão medidas temperaturas em alguns pontos do coletor utilizando um termopar
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do tipo K de contato. O tempo de aquecimento será, também, um parâmetro importante pois
afeta as temperaturas avaliadas e a simulação deve ser formulada para as mesmas condições
do reais de aquecimento solar para piscinas, ou seja, o tempo utilizado para a simulação deve
ser o mesmo do real para aquecer a piscina. Para adequar o modelo de simulação obtido
experimentalmente serão estabelecidas diferentes temperaturas na região do coletor solar.
Serão feitas simulações no modelo até que se obtenha temperaturas muito próximas das do
caso real. Nessa fase, possíveis ajustes nas considerações iniciais poderão ser feitas para que o
modelo se torne a melhor representação possível da situação real.
Depois de calibrado o modelo, em função dos parâmetros do ensaio, será obtido o
perfil de temperaturas do conjunto, assim como o fluxo de calor. Com o perfil de temperaturas
será feito uma análise qualitativa para o melhor entendimento da distribuição do calor no
mesmo, e posterior comparação com o modelo de coletor solar feito de tubos de polietileno.
Com base nestes resultados, o mesmo fluxo de calor servirá como parâmetro de
comparação entre o coletor solar tradicional para piscinas e o coletor solar feito de tubos de
polietileno. Comparando o fluxo de calor e o tempo de aquecimento da piscina poderá se
determinar a eficiência deste novo tipo de coletor solar feito de tubos de polietileno. Com
estas análises, será possível propor melhorias ao modelo, e o entendimento do comportamento
do fluxo de calor no interior do coletor solar. Estas análises e discussões serão apresentadas
nos relatórios do Projeto.
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