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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL
MESTRADO
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM GESTÃO E TECNOLOGIA AMBIENTAL
Eliezer Henker
ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTOS DESUMIDIFICADORES PARA
OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL UTILIZANDO DIFERENTES SISTEMAS.
Santa Cruz do Sul, fevereiro de 2012.
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Eliezer Henker
ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTOS DESUMIDIFICADORES PARA
OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL UTILIZANDO DIFERENTES SISTEMAS.
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Tecnologia Ambiental – Mestrado,
Área de Concentração em Gestão e Tecnologia
Ambiental, Universidade de Santa Cruz do Sul UNISC, como requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Tecnologia Ambiental.
Orientador: Dr. Ênio Leandro Machado
Co-orientador: Dr. Jorge André Ribas Moraes
Santa Cruz do Sul, fevereiro de 2012.
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Eliezer Henker
ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE EQUIPAMENTOS DESUMIDIFICADORES PARA
OBTENÇÃO DE ÁGUA POTÁVEL UTILIZANDO DIFERENTES SISTEMAS.
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Tecnologia Ambiental –
Mestrado, Área de Concentração em Gestão e
Tecnologia Ambiental, Universidade de Santa
Cruz do Sul - UNISC, como requisito parcial
para a obtenção do título de Mestre em
Tecnologia Ambiental.
________________________________
Dr. Ênio Leandro Machado
Professor Orientador
Universidade de Santa Cruz do Sul – UNISC
________________________________
Dr. Jorge André Ribas Moraes
Professor Co-Orientador
Universidade de Santa Cruz do Sul – UNISC
_________________________________
Dr. Marcelino Hoppe
Universidade de Santa Cruz do Sul-UNISC
_________________________________
Dra. Lourdes Teresinha Kist
Universidade de Santa Cruz do Sul-UNISC
_________________________________
Dr. Francisco de Assis Salviano de Sousa
Universidade Federal de Campina Grande - UFCG
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Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus filhos, Félix e Khrystian e a minha esposa Marli.
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Agradecimentos
Agradeço aos Mestres pela iluminação e amparo em todos os momentos.
Agradeço a minha família pelo apoio, incentivo e carinho.
Agradeço a CAPES pela oportunidade da bolsa de iniciação científica e a FAPERGS
por disponibilizar recursos que viabilizaram este projeto.
Agradeço especialmente ao professor Ênio Leandro Machado pela dedicação extrema
em todas as atividades muito além do esperado e da confiança depositada, por demonstrar
muito antes de me conhecer os grandes valores humanos presente em seu caráter.
Agradeço ao professor Jorge André Ribas Moraes pelas palavras de otimismo e
serenidade na condução dos trabalhos.
Agradeço aos professores do Mestrado em Tecnologia Ambiental e do Departamento
de Engenharia que estavam sempre dispostos a oferecer uma mão amiga.
Agradeço aos funcionários dos departamentos e Laboratórios pela dedicação e
compromisso e em especial a Raquel Dioneia Petermann Schultz disposta a dar aquela força
no momento certo.
Enfim, agradeço a Bárbara Meier da Costa e a Fernanda Sartori Rodrigues, bolsistas
de iniciação científica pela paciência, seriedade e dedicação no desempenho das atividades.
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Resumo
Este trabalho tem por objetivo principal a concepção e construção de sistemas
desumidificadores para obtenção de água potável. A umidade do ar precipita por condensação
na forma de gotas quando há contato do ar mais quente com uma superfície fria. Este
fenômeno físico também é conhecido como orvalho. A pesquisa abordou elementos
climatológicos da região do Vale do Rio Pardo demonstrando índices favoráveis a obtenção
de água potável através da desumidificação. O experimento empregando garrafas de PET Politereftalato de etileno, com água congelada demonstrou a capacidade de formação de
orvalho na sua superfície em diferentes situações experimentais tais como vento, temperatura
ambiente e umidade relativa. A fim de analisar alguns parâmetros de potabilidade da água as
amostras foram submetidas a análises de coliformes totais, Escherichia coli, pH, turbidez,
oxigênio consumido e condutividade. Todas as amostras apresentaram índices satisfatórios de
potabilidade. Um dos sistemas propostos de desumidificação emprega a célula termoelétrica
de efeito Peltier como fonte de superfície fria podendo ser acionado por energia elétrica
convencional ou energia elétrica fornecida por painéis fotovoltaicos. O equipamento conta
com uma unidade de desinfecção composta por lâmpada germicida de 254nm. O sistema é
indicado para pequenas aplicações podendo gerar aproximadamente 2,6 L m-2 h-1 de
condensado aquoso com um consumo energético de 7,92 kWh L-1 em uma umidade relativa UR de 80%, ventos de 7 km h-1 e temperatura ambiente de 25°C. O segundo sistema emprega
Amônia – NH3, Cloreto de cálcio – CaCl2 e irradiação solar como fonte energética no ciclo de
absorção intermitente dia/noite. O emprego da NH3 como elemento refrigerante e o CaCl2
como absorvedor da NH3 no ciclo regenerativo noturno dispensa o emprego de energia
elétrica para obtenção de superfície fria no ciclo intermitente. Aspectos especiais construtivos
foram necessários na elaboração do projeto bem como a observação dos riscos ocupacionais
envolvidos com a manipulação da NH3. O emprego de sistemas desumidificadores pode ser
uma alternativa para obtenção de água potável em locais afetados pela escassez deste recurso
sejam por ordem climática, catástrofes naturais ou locais isolados.
Palavras chaves: Desumidificação, água potável, Célula Termoelétrica, Efeito Peltier,
Refrigeração por Amônia.
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Abstract
The main objective of this work is the design and construction of systems dehumidifiers for
obtaining drinking water. The air humidity by condensation precipitates in the form of drops
when there is warmer air contact with a cold surface. This physical phenomenon is also
known as dew. The study addressed climatological elements of the Vale do Rio Pardo
demonstrating favorable rates to obtain drinking water by dehumidifying. The experiment
using PET bottles - Polyethylene terephthalate, frozen water demonstrated the capacity to
form dew on its surface in different experimental conditions such as wind, temperature and
relative humidity. In order to analyze some parameters of drinking water samples were
analyzed for total coliforms, Escherichia coli, pH, turbidity, conductivity and oxygen
consumed. All samples showed satisfactory rates of potability. A dehumidification system
proposed employs the Peltier effect thermoelectric cell as a source of cold surface can be
powered by conventional electricity or electrical energy supplied by photovoltaic panels. The
equipment has a disinfection unit consists of germicidal lamp of 254nm. The system is
suitable for small applications can generate about 2.6 L m-2 h-1 aqueous condensate whit an
energy consumption of 7.92 kWh L-1 at a relative humidity - RH 80%, and winds of 7 km h -1
and temperature of 25°C. The second system employs Ammonia – NH3, Calcium chloride –
CaCl2 and solar irradiation as energy source in absorption cycle intermittent day / night. The
use of NH3 as the refrigerant and absorber as CaCl2 regenerative cycle of NH3 in the night
dispensing the use of electricity to obtain cold surface in intermittent cycle. Special aspects of
construction were necessary in preparing the draft and the occurrence of occupational hazards
involved with handling of NH3 in refrigeration systems. The use of desiccant systems can be
an alternative for obtaining drinking water in areas affected by the scarcity of this resource in
order to be climate, natural disasters or isolated locations.
Keywords: Dehumidification, Clean Water, Thermoelectric Cell, Peltier Effect, Ammonia
Refrigeration.
8
Lista de Figuras
Figura 1: Tipos de Processamento de vapor de água atmosférico.......................................
17
Figura 2: Diagrama esquemático do aparato experimental proposto por Kabeel.................
19
Figura 3 : Pastilha Termoelétrica de Efeito Peltier..............................................................
23
Figura 4: Carta Psicrométrica...............................................................................................
26
Figura 5: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2008 e 01/12/2011....
28
Figura 6: Precipitação pluvial entre 01/01/2008 e 01/12/2011............................................
28
Figura 7: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2011 e 01/12/2011....
29
Figura 8: Precipitação pluvial entre 01/01/2011 e 01/12/2011............................................
29
Figura 9 – Precipitação pluvial média, mensal máxima e mínima......................................
31
Figura 10: Condensação do ar através de superfície refrigerada empregando garrafas ....... 32
Figura 11: Exemplo de placas 3M TM de PetrifilmTM ...........................................................
35
Figura 12: Unidade de desumidificação do ar e desinfecção com emprego de célula
termoelétrica .........................................................................................................................
38
Figura 13: Protótipo para teste de configurações de pastilhas termoelétricas .....................
40
Figura 14: Formação de gelo e orvalho em configuração de duas células termoelétrica
sobrepostas ...........................................................................................................................
41
Figura 15: Experimentação de duas células termoelétricas sobrepostas de 40x40mm .......
42
Figura 16: Projeto inicial de sistema regenerativo de compressão e descompressão de
NH3 .......................................................................................................................................
41
Figura 17: Projeto ICE MAKER – Identificação das partes ...............................................
44
Figura 18: ICE MAKER na CETER-UNISC ........................................................................
46
Figura 19: Precipitação Média Mensal em milímetros do Campus Universitário de Santa
Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011 .............................
48
Figura 20: Temperatura Máxima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa
Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011 ..............................
48
Figura 21: Temperatura Mínima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa
Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011............................
49
Figura 22: Umidade Relativa do Ar Média em % do Campus Universitário de Santa Cruz
do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011......................................
49
Figura 23: Placas 3M TM de PetrifilmTM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes com
incubação de 24 horas...........................................................................................................
51
9
Figura 24: Placas 3M TM de PetrifilmTM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes com
incubação de 48 horas..........................................................................................................
52
Figura 25: PWM para 1,0 Ampère .......................................................................................
54
Figura 26: Pastilha Peltier – configurações de montagem do protótipo .............................
55
Figura 27: Sistema sobre bancada de pastilha termoelétrica sobreposta ............................
56
Figura 28: Sistema sobre bancada de pastilhas termoelétrica 40x40mm ............................
58
Figura 29: Vistas com corte parcial do equipamento com célula termoelétrica ..................
60
10
Lista de Tabelas
Tabela 1: Teste sem presença de vento ........................................................................
49
Tabela 2: Teste com a presença de vento de 1,2 km/h ................................................. 49
Tabela 3: Teste com a presença de vento de 8,5 km/h ................................................. 50
Tabela 4: Oxigênio Consumido – O.C. ........................................................................ 51
Tabela 5: pH, Turbidez e Condutividade da garrafa 1..................................................
52
Tabela 6: pH, Turbidez e Condutividade da garrafa 2..................................................
52
Tabela 7: Medições realizadas no protótipo com pastilhas sobrepostas. ....................
54
Tabela 8: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas 62x62mm .....
56
Tabela 9: Medições realizadas em bancada com pastilha 40x40mm .......................... 57
Tabela 10: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas de 40x40mm 58
11
Lista de Quadros
Quadro 1: Características físico químicas da Amônia................................................
22
Quadro 2 – Dados climatológicos da Estação Meteorológica UNISC – Campus
Central entre 2005 e 2011...........................................................................................
29
Quadro 3: Padrão microbiológico de potabilidade de água para consumo humano...
32
Quadro 4: Padrão de turbidez para água pós-filtração ou pré-desinfecção.................
33
Quadro 5: Dados relacionados empregando pastilha termoelétrica sobreposta de
62x62mm..................................................................................................................... 60
12
SUMÁRIO
Resumo............................................................................................................................................
Abstract...........................................................................................................................................
Lista de Figuras...............................................................................................................................
Lista de Tabelas..............................................................................................................................
Lista de Quadros ............................................................................................................................
1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................................
2 OBJETIVOS ...............................................................................................................................
2.1 Objetivo Geral ..........................................................................................................................
2.2 Objetivos Específicos ...............................................................................................................
3 REVISÃO DE LITERATURA ..................................................................................................
3.1 Modelos de Configurações de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água
Potável............................................................................................................................................
3.2 Experiências Brasileiras e Internacionais para Obtenção de Água Potável por
Desumidificação..............................................................................................................................
3.3 Elementos de Configuração de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água
Potável.............................................................................................................................................
3.3.1 Agente Refrigerante – Amônia..............................................................................................
3.3.2 Células de Semicondutor – Efeito Peltier..............................................................................
3.3.3 Temperatura do Ponto de Orvalho e Sua Importância na Obtenção de Água Através da
Condensação...................................................................................................................................
4 METODOLOGIA .......................................................................................................................
4.1 Caracterização dos Dados Climatológicos Regionais Visando a Obtenção de Água Potável
Através da Desumidificação ..........................................................................................................
4.1.1 Dados Climatológicos da Estação Meteorológica do Departamento de Engenharia,
Arquitetura e Ciências Agrárias da Universidade de Santa Cruz do Sul – Campus Central
UNISC ............................................................................................................................................
4.1.2 Histórico da Pluviometria em Santa Cruz do Sul..................................................................
4.2 Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada................................................................
4.3 Análise da Qualidade da Água..................................................................................................
4.3.1 Coliformes Totais e Escherichia coli.....................................................................................
4.3.2 Determinação do Oxigênio Consumido – OC.......................................................................
4.4 Configurações dos Sistemas de Desumidificação para Obtenção de Água Potável.................
4.4.1 Sistema Peltier.......................................................................................................................
4.4.1.2 Configurações de Células ermoelétricas..........................................................................
4.4.2 Sistema Ice Maker..................................................................................................................
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES..............................................................................................
5.1 Aspectos Climatológicos...........................................................................................................
5.2 Resultados dos Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada.......................................
5.3 Determinação da Qualidade da Água nas Amostras do Sistema em Escala de Bancada.........
5.4 Resultados dos Ensaios com Células Termoelétricas de Efeito Peltier....................................
5.5 Construção de Sistema de Desumidificação para Obtenção de Água Potável com Uso de
Célula Termoelétrica.......................................................................................................................
5.6 Construção de Sistema de Desumidificação para Geração de Água Potável com Uso de
NH3 e CaCl2 - ICE MAKER......................................................,.....................................................
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES........................................................................
6.1 Sugestões para Continuidade do Trabalho................................................................................
7 REFERÊNCIAS………………………………………………………………………….……..
ANEXO A……………………………………………………………………………….………..
ANEXO B………………………………………………………………………………………...
ANEXO C………………………………………………………………………………………...
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11
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15
15
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16
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26
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35
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66
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72
13
1 INTRODUÇÃO
Em uma visão macro, 97,5% da água presente no planeta é salgada e imprópria para
consumo humano. Através de processos onerosos de dessalinização é possível tornar esta
água potável. Os 2,5% restantes são consideradas águas doces e deste total 69% encontra-se
em geleiras e neves eternas, 30% em água subterrânea, 0,7% em solos, ar e solos congelados e
0,3% estão disponíveis em rios e lagos (COIMBRA e ROCHA, 1999).
Considerando estes dados, aliados ao crescimento populacional e o desenvolvimento
industrial com a consequente utilização desenfreada de recursos naturais é possível prever
problemas futuros de abastecimento de água para as populações. A gestão dos recursos
hídricos é uma preocupação dos governos e de suas comunidades.
Todas as medidas que podem minimizar o efeito anteriormente citado deverão incluir
educação, saneamento ecológico, reuso de água para fins menos nobres, captação de água de
chuva e preservação e recuperação das fontes de água potável. É claro que todos estes
aspectos dos impactos antropogênicos nos ecossistemas globais são agravados por mudanças
climáticas amplamente discutíveis.
A escassez de água potável estabelecerá dificuldades cada vez maiores na maioria das
cidades brasileiras nas próximas décadas. Cidades como Vitória, no Espírito Santo, podem
experimentar esta acentuada carência de água potável nos próximos quinze anos.
Períodos de secas são comuns em nossa região e em outros locais do estado bem como
períodos de intensa precipitação pluviométrica.
O Rio Grande do Sul apresenta uma média de precipitações entre 1200 a 2400 mm ao
ano, no entanto, a mídia relata, ano após ano, famílias sendo afetadas com agravantes no
mínimo comparáveis às regiões semi-áridas mais críticas do Brasil devido à falta de água e a
má gestão dos recursos hídricos.
Neste sentido, além das medidas de sustentabilidade ambiental e políticas públicas de
saneamento e gestão de recursos hídricos, novas formas de obtenção e potabilização de água
serão medidas de apoio para atenuação de problemas causados por catástrofes naturais,
emergências e locais de difícil acesso.
Com o exemplo do saneamento ecológico, a potabilização de água demandará cada
vez mais de tecnologias limpas e ecodesign para captação, clarificação e desinfecção.
Várias pesquisas estão demonstrando que coagulantes e auxiliares de clarificação,
métodos de desinfecção e destilação com energia solar, cisternas, separação de fases com
14
termo-sifão, podem obter água potável em comunidades carentes e em regiões urbanas bem
diversificadas socialmente em todo o mundo.
Entretanto, outro enfoque de pesquisa deve ser considerado: empregar sistema
desumidificador adotando a célula termoelétrica de efeito Peltier para gerar condensado
aquoso e sistema de absorção intermitente empregando amônia e cloreto de cálcio em ciclo
regenerativo dia/noite para obtenção de água.
Experimentos para geração de condensados aquosos a partir da umidade do ar estão
crescendo no interesse de alguns pesquisadores. Silva e de Souza (2009) investigaram a taxa
de produção de água por metro quadrado de área resfriada para as condições de regiões
semiáridas do Nordeste brasileiro. Os resultados são animadores, estabelecendo valores de
1,23 L h-1m-2 com consumo de energia de 0,75 kWh.
Desta forma, o problema de adoção das medidas de sustentabilidade ambiental e de
fontes alternativas de água potável poderá ganhar com sistemas de desumidificação do ar com
efetiva descentralização e flexibilidade de escalas para atenuar, no futuro, a escassez de água
potável.
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2 OBJETIVOS
2.1 Objetivos Geral
Conceber e construir equipamentos desumidificadores para obtenção de água potável
empregando sistema com células termoelétricas de efeito Peltier e sistema com Amônia e
Cloreto de Cálcio.
2.2 Específicos:
Realizar diagnóstico climatológico na região da pesquisa;
Estabelecer a configuração de equipamento de absorção intermitente - ICE MAKER
empregando NH3 + CaCl2 e irradiação solar como fonte energética;
Aplicar os equipamentos em unidade experimental da UNISC para avaliar o
potencial de produção de água potável;
Realizar análises parciais de potabilidade da água obtida, principalmente as
características microbiológicas através de ensaios experimentais com base na
Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde a fim de verificar a potabilidade das
amostras.
Determinar custos de implantação, operação e manutenção do sistema proposto
para aplicação de novo produto tecnológico.
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3 REVISÃO DA LITERATURA
3.1 Modelos de Configurações de Sistemas de Desumidificação para Obtenção de
Água Potável.
O processamento de vapor de água
da atmosfera – Atmospheric Water Vapour
Processing – AWVP é amplamente discutido na comunidade científica. Fontes inovadoras de
água potável em uso foram analisadas pela ONU – United Nations (1985), considerando que
em algumas localidades de regiões semiáridas e áridas do planeta são muito povoadas e
também estão situadas em geral em países em desenvolvimento localizados na América
Central, América do Sul, África, Oriente Médio e sul da Ásia como é o caso das cidades às
margens do Golfo Pérsico e do Mar Mediterrâneo.
Wahlgrenn (1998 e 2001) apresenta diferentes configurações de sistemas AWVP
divididos em três modalidades: Resfriamento de superfícies através de bombas de calor ou
radiação de frio; uso de dessecantes sólidos ou líquidos e convecção induzida em estrutura
controlada, Figura 1.
17
Ar
atmosférico
úmido
Projeto tipo 1
Projeto tipo 2
Tipo?
Projeto tipo 3
Resfriamento da
superfície por
bomba de calor ou
resfriamento
radiativo
Vapor de água
concentrado por
dessecante
tipo 3 a
Convecção
induzida por
estrutura
controlada
tipo 3 b
Tipo?
Absorção por
líquido
dessecante
Absorção por
sólido
dessecante
Figura 1: Tipos de Processamentos de vapor de água atmosférico
Fonte: Wahlgrenn (1998 e 2001)
Em seus estudos relaciona a tecnologia dos sistemas, o consumo em kWhm-³ de água
produzida bem como as necessidades diárias de água para diferentes aplicações. Faz um
comparativo de custeio entre os diferentes métodos analisados para obtenção de cada m³ de
água, por fim relaciona algumas sugestões para configuração de sistema desumidificadores
AWVP.
Para a produção de água a partir de nevoeiros, Cereceda et al (1992) tem um custo
estimado de US$ 4,46m-3, já o processamento de vapor de água atmosférico através da coleta
em grande escala de orvalho, Rajvanshi (1981), é próxima a US$12,24m-3 e através do
sistema AWVP de água de oceano, Paton and Davies (1996), fica em torno de US$5,32m-3.
A água coletada da atmosfera pode não ser própria para consumo. Processamento de
grandes volumes de água pode concentrar agentes patogênicos e detritos segundo, Michael
(1996).
18
Em seus estudos, Wahlgren (1998 e 2001), aponta a necessidade de tratamento da
água coletada por intermédio de cloração e desinfecção por ultravioleta e ozônio. A água
coletada pode ainda ser mineralizada para retirada do sabor de água destilada e para atender
padrões de potabilidade, Kajiyama (1974) e para saúde gástrica, Yamamoto et al. (1981).
3.2 Experiências Brasileiras e Internacionais para Obtenção de Água Potável por
Desumidificação
A proposta do desumidificador e potabilizador de água corrobora as pesquisas já
realizadas por cientistas brasileiros e do exterior, no entanto, a aplicação de células
termoelétricas para obtenção de orvalho é uma nova alternativa tendo em vista o avanço
tecnológico dos materiais semicondutores e custos acessíveis.
Equipamentos alternativos exploram a desumidificação do ar por troca de calor desde
1912, Silva e de Souza, (2009). Os sistemas usados configuram aparatos de refrigeração com
a maior área de contato possível para arrefecimento e condensação.
A aplicação de dessecantes sólidos e líquidos tais como CaCl2, LiBr e etileno glicol em
processos de absorção de sistemas regenerativos de desumidificador para obtenção de água
potável foram propostos por Hall (1966) e Sofrata (1981). A obtenção da água potável se dá
através da separação do dessecante da água por aquecimento e condensação do vapor.
No estudo de aplicação de dessecante líquido, Sultan (2002) demonstra a eficiência do
sistema absorvedor/regenerador analisando a influência da temperatura e a velocidade do ar
bem como a concentração do dessecante nos períodos de absorção e regeneração do
equipamento testado.
O modelo, experimental proposto por Kabeel (2004) empregando o dessecante CaCl2
misturado com areia propõe um aparato experimental com possibilidade de inclinação, Figura
2.
19
1-Espuma
2-Chapas de aço
3-Suporte coletor
4-Hastes posicionadoras
5-Tampa de vidro
6-Bacia de coleta
7-Quadro da tampa
8-Puxador
9- Quadro metálico
10-Furos de fixação
11-Parafuso de fixação
12-Laminas de madeira
13-Tubo
14- Balão graduado
Figura 2: Diagrama esquemático do aparato experimental proposto por Kabeel
Fonte: Kabeel (2004)
O trabalho avaliou os efeitos e desempenho de diferentes parâmetros no sistema
especialmente durante o período de regeneração. Tais parâmetros foram: intensidade de
radiação, temperatura ambiente e o ângulo de inclinação do equipamento.
O sistema demonstrou que é possível coletar 1,2 L m-2 dia-1 de água e o ângulo de
inclinação de 25° é o mais eficiente, no entanto, a diferença de produtividade é pequena.
Nos experimentos de Silva e de Souza (2009) realizados em municípios paraibanos de
Campina Grande e São João do Cariri, onde o clima é caracterizado como sendo semiárido, e
cuja precipitação anual é de cerca de 750 mm/ano e 500 mm/ano respectivamente, foi
20
empregada a estrutura interna de um refrigerador doméstico como superfície de condensação.
O modelo empregou fonte de energia elétrica convencional. Medições realizadas apontaram a
produção de água com a porta aberta do refrigerador. Posteriormente a estrutura interna do
congelador foi totalmente exposta ao ar ambiente e finalmente somente a tubulação que
envolve o congelador. Devido às dificuldades de manuseio, um novo sistema foi adaptado
empregando garrafas PET (Polietileno Tereftalato) de 2,5 litros com área superficial de 0,1m².
O estudo apontou a produção de 1,23 L m-2h-1 empregando as superfícies refrigeradas das
garrafas PET e um consumo de 0,75kWh de energia elétrica.
Habeebullah (2009) empregou bobinas de refrigeração semelhantes às empregadas em
aparelhos de climatização. Para umidade relativa do ar típica da região da Arábia Saudita
(entre 30 e 70%) foram obtidos 17,6 kg m-2 dia-1 para uma velocidade de vento de 2,25 m s-1.
Na mesma pesquisa, em intervalo de investigação entre agosto e fevereiro foram obtidos
valores médios de 401 kg m-2 mês-1.
Já a região do Golfo Pérsico é considerada como sendo uma das áreas mais áridas do
mundo e conta com pouquíssimas reservas de água doce. A região é a maior produtora de
água potável do mundo através de usinas de dessalinização. Os investimentos ultrapassaram
40 bilhões de US$ nos últimos 20 anos. A operação de usinas de dessalinização tem um
impacto negativo no meio ambiente local além de altos custos operacionais e de manutenção.
A dependência tecnológica de instalação e operação dessas usinas somando a
dependência crescente desse modelo de obtenção de água doce vê-se na obtenção de água
potável através de fontes não convencionais uma alternativa de sustentabilidade. Helsarrag e
Horr (2011) investigaram a obtenção de água potável através das unidades de refrigeração de
ar condicionado amplamente utilizadas em instalações residenciais, comerciais e industriais
na região do Golfo Pérsico. Os resultados demonstraram a produção de 7,2 L de água por dia
por kW de arrefecimento o que viabiliza e gestão deste recurso tendo em vista que a
precipitação na região fica em torno de 80 mm anuais.
21
3.3 Elementos de Configuração de Sistemas de Desumidificação para Obtenção
de Água Potável.
Vários são os sistemas de desumidificação para obtenção de água potável citada pela
literatura.
Alguns sistemas empregam substâncias dessecantes sólidas ou líquidas na sua
concepção a fim
de reter a água e posteriormente separá-la através do aquecimento e
condensação do vapor.
A tecnologia de dessalinização emprega a osmose reversa para tornar potável a água
do mar. Através da destilação também é possível extrair água potável de água saloba ou água
do mar.
A coleta de vapor de água de nevoeiros e a coleta de orvalho de superfícies também
são maneiras de obtenção de água em ambientes onde há escassez de água.
A extração de água do ar atmosférico pode ser realizada resfriando uma superfície
abaixo do ponto de orvalho onde a umidade é condensada, Sultan (2004). Neste contexto a
aplicação de efeito Peltier na concepção de um desumidificador tornou-se uma nova
perspectiva na busca de configurações de pequeno porte e baixo custo, fácil operação e risco
ocupacional reduzido.
Sistemas de desumidificação por absorção regenerativa podem empregar energia solar
direta como fonte energética para compressão de fluido refrigerante; usar energia elétrica
convencional, painéis fotovoltaicos ou energia eólica para acionamento de compressores e
ventiladores.
Por outro lado, a teoria nos mostra que o emprego de fluidos refrigerantes tais como a
amônia pode conferir ao sistema desumidificador uma eficiência vantajosa.
3.3.1 Agente Refrigerante – Amônia
A denominação agente refrigerante é dada a substâncias que possuem a capacidade de
absorver grande quantidade de calor quando passam do estado líquido para o gasoso.
Atualmente esses agentes são empregados em larga escala na refrigeração industrial.
Características tais como volatilidade, calor latente de vaporização elevado, requerer
baixa potência para compressão à pressão de condensação, temperatura crítica bem acima da
22
temperatura de condensação, ser estável, não apresentar efeito prejudicial a alguns metais, e
lubrificantes e outros materiais utilizados nos demais componentes do sistema, não ser
combustível ou explosivo sob condições normais de operação, fácil detecção em caso de
vazamento, custo razoável e disponibilidade em abundância são algumas das características
da amônia, Quadro 1.
Entretanto, a amônia torna se altamente explosiva em concentrações acima de 15% em
volume e é altamente tóxica. Ademais é considerada ecologicamente correta por ser o único
refrigerante natural que não agride a camada de ozônio e não agrava o efeito estufa.
No passado a amônia perdeu espaço com a introdução dos clorofluorcarbonos – CFCs.
Atualmente, vem ganhando espaço em virtude de suas propriedades termodinâmicas e seu
baixo custo. Se utilizada com precauções é uma ótima opção em termos de agente
refrigerante.
Quadro 1: Características físico químicas da Amônia.
Fonte: OSHA/EUA; NR15
-
23,4 kJ mol-¹
3.3.2 Células de Semicondutor – Efeito Peltier
Observado em 1834 por Jean Charles Athanase Peltier o efeito consiste na produção
de um gradiente de temperatura quando submetido a uma corrente elétrica em materiais
condutores ou semicondutores. O dispositivo termoelétrico possui duas faces principais,
23
Figura 3. O fluxo de calor depende do sentido da corrente e pode ser absorvido ou gerado de
maneira reversível conforme, Pindado (2008).
Figura 3 : Pastilha Termoelétrica de Efeito Peltier
Fonte: http://www.kryotherm.ru/?tid=23
Atualmente há no mercado pastilhas termoelétricas operando com o efeito Peltier em
sistemas de refrigeração compactos tais como bebedouros e mini geladeiras.
Na criogenia é empregado para obtenção de temperaturas próximas ao zero absoluto,
necessárias para o estudo de supercondutores.
As pastilhas consistem no arranjo de materiais semicondutores Tipo-N e Tipo-P em
forma de matrizes. Ao circular corrente elétrica pelas junções o calor é transferido de uma
junção a outra fazendo com que a pastilha aqueça de um lado e resfrie do outro.
Em geral o material semicondutor das pastilhas é o tolureto de bismuto. As pastilhas
possuem a versatilidade de configurações, podendo ser empregadas individualmente ou
agrupadas para obter um gradiente de temperatura maior.
Práticas relatadas em determinadas configurações de montagem demonstram a
obtenção de gradientes de temperatura de algumas dezenas de graus Célsius. Ensaios e
simulações com determinado modelo de célula Peltier empregando uma corrente de 2,4
ampères demonstra que após um certo tempo, aproximadamente 275 segundos, a pastilha
termoelétrica mantém uma estabilização da temperatura de funcionamento fornecendo na face
24
fria -12°C e na face aquecida 51°C disponibilizando assim um gradiente de 63°C, Chaves et
al, (2000).
3.3.3 Temperatura de Ponto de Orvalho e Sua Importância na Obtenção de Água
Através da Condensação.
A temperatura a qual o vapor de água do ar é saturado é conhecida como a temperatura
do ar em ponto de orvalho, Mitrani et al (2005).
O ponto de orvalho é definido como a temperatura na qual o ar deve ser resfriado para
que a condensação de água se inicie, ou seja, para que o ar fique saturado de vapor de água.
A determinação da temperatura do ponto de orvalho se dá atravé da fórmula, Mota,
(1999) e Tubelis, (2001):
To = (237,3 * Log ea/0,611) / (7,5 – Log ea/0,611)
Onde ea é:
ea = (UR * es) / 100
es = 0,61078 exp [17,269 t / (t + 237,3)]
UR é a Umidade Relativa
ea=pressão real de vapor em kPa para t em ºC.
es = pressão de saturação de vapor em kPa para t em ºC.
Através de cartas psicrométricas, Figura 4, é possível verificar simplificadamente
algumas propriedades do ar tais como: temperatura de bulbo seco e úmido, umidade relativa e
absoluta e temperatura do ponto de orvalho.
A temperatura de orvalho é muito importante para previsão da possibilidade de
condensação da umidade do ar em projetos de sistemas desumidificadores.
25
Figura 4: Carta Psicrométrica de Carrier
26
4 METODOLOGIA
A metodologia envolveu as seguintes etapas:
Caracterização dos dados climatológicos da microrregião de aplicação da
pesquisa;
Pesquisa dos tipos de sistemas desumidificadores empregados para obtenção
de água potável;
Configuração de um sistema experimental de bancada;
Projeto e construção de sistemas de desumidificação e desinfecção para
geração de água potável. Dois sistemas foram configurados: Sistema Peltier e
Sistema regenerativo tipo ICE-MAKER empregando Amônia e dessecante
CaCl2.
4.1 Caracterização dos Dados Climatológicos Regionais Visando a Obtenção de
Água Potável Através da Desumidificação
O levantamento de dados climatológicos regionais foi realizado via dados disponíveis
no Sistema de Monitoramento Agrometeorológico - AGRITEMPO na estação automática
INMET de Rio Pardo nos intervalos de 01/01/2008 a 01/12/2011 (Figuras 5 e 6) e 01/01/2011
a 01/12/2011 (Figuras 7 e 8) e no Instituto Nacional de Meteorologia – INMET, onde há
disponibilidade de dados climáticos do Brasil de mais de 100 anos. Trimestralmente desde
2004 o INMET divulga o boletim climático do estado do Rio Grande do Sul contendo
informações e prognósticos climáticos das regiões do estado para os próximos três meses,
bem como condições climáticas globais.
Dados climatológicos locais foram obtidos da estação meteorológica localizada no
Município de Santa Cruz do Sul, Campus Central da Universidade de Santa Cruz do Sul –
UNISC.
O Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos- CPTEC e o Instituto Nacional
de Pesquisas Espaciais - INPE além de disponibilizar informações de climatologia também
dispõe de dados referente à qualidade do ar.
27
°C
01 / 12
Figura 5: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2008 e 01/12/2011.
Fonte: Agritempo – Estação INMET Rio Pardo
Figura 6: Precipitação pluvial entre 01/01/2008 e 01/12/2011.
Fonte: Agritempo – Estação INMET Rio Pardo
28
Figura 7: Temperatura do ar mínima, máxima e média entre 01/01/2011 e 01/12/2011.
Fonte: Agritempo – Estação INMET Rio Pardo
Figura 8: Precipitação pluvial entre 01/01/2011 e 01/12/2011.
Fonte: Agritempo – Estação INMET Rio Pardo
4.1.1 Dados Climatológicos da Estação Meteorológica do Departamento de
Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias da Universidade de Santa Cruz do Sul –
Campus Central UNISC
Observaram-se dados entre os anos de 2005 e 2011, relacionando os índices de
precipitação média mensal, temperatura do ar média máxima e mínima em ºC e a umidade
relativa média do ar em %, Quadro 2.
29
Quadro 2 – Dados climatológicos da Estação Meteorológica UNISC – Campus Central
entre 2005 e 2011.
Fonte: Estação Meteorológica UNISC; Professor Dr. Marcelino Hoppe.
ANO
2005
2006
2007
2008
ÍNDICES
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
TOTAL
Precipitação Média Mensal
89,9
18,8
79,8
153,2
161,3
64,8
41,9
107,4
180,1
224,0
58,7
65,3
1245,2
Temperatura Máxima Média - Celsius
32,5
31,5
30,5
24,6
22,8
22,5
20,3
22,8
19,7
23,4
28,6
29,7
Temperatura Mínima Média - Celsius
19,9
20,0
18,7
15,5
13,5
14,0
9,2
12,3
11,3
14,9
16,0
17,5
Umidade Relativa do Ar Média (%)
64,1
66,9
67,1
81
81,4
84,1
76,1
75,0
75,8
77,6
66,6
62,9
Precipitação Média Mensal
150,1
84,3
34,8
41,3
92,7
51,8
87,6
57,4
104,4
93,5
150,4
43,4
Temperatura Máxima Média - Celsius
31,7
30,4
29,6
25,7
19,5
20,8
22,1
21,0
21,6
26,5
26,5
31,7
Temperatura Mínima Média - Celsius
20,9
19,7
18,5
14,6
10,0
11,1
12,8
10,0
10,5
15,8
16,4
20,4
Umidade Relativa do Ar Média (%)
71,1
71,4
71,0
75,0
80,0
81,6
78,7
74,4
75,1
72,0
71,4
68,3
Precipitação Média Mensal
91,7
139,3
98,2
24,6
118,2
156,0
170,8
104,8
258,4
134,4
144,8
170
Temperatura Máxima Média - Celsius
30,9
30,9
30,0
27,3
19,6
19,2
16,7
19,6
24,7
25,7
26,4
30,2
Temperatura Mínima Média - Celsius
20,7
20,1
21,1
17,1
10,4
10,6
7,6
9,5
15,0
16,9
14,2
18,7
Umidade Relativa do Ar Média (%)
71,1
70,7
79,1
77,8
81,3
78,4
76,3
77,1
75,5
75,7
69,4
68,4
Precipitação Média Mensal
49,5
86,6
97,2
94,6
159,0
163,6
111,4
125,6
117,0
225,0
41,2
74,2
Temperatura Máxima Média - Celsius
32,2
30,3
29,2
25,4
22,5
17,3
21,1
21,1
21,4
24,0
28,7
29,9
Temperatura Mínima Média - Celsius
18,8
19,9
19,2
14,2
11,9
9,0
12,6
10,7
10,9
15,4
17,5
18,5
69,2
72,4
75,0
76,2
81,3
81,0
77,8
72,7
76,2
68,5
68,3
Umidade Relativa do Ar Média (%)
2009
2010
2011
Precipitação Média Mensal
196,6
140,6
129,8
17,8
94,0
69,2
89,2
228,2
291,0
68,0
409,8
129,0
Temperatura Máxima Média - Celsius
28,9
29,7
28,9
27,1
23,6
18,7
16,8
23,0
21,1
25,0
28,2
28,8
Temperatura Mínima Média - Celsius
19,0
20,2
19,2
15,0
12,7
8,3
7,0
13,3
14,3
19,7
20,0
Umidade Relativa do Ar Média (%)
71,6
74,2
76,9
73,2
77,3
79,5
77,8
76,1
79,2
72,0
80,2
72,8
Precipitação Média Mensal
238,0
106,8
45,6
80,9
104,0
128,3
174,0
28,8
196,4
47,6
76,4
82,6
Temperatura Máxima Média - Celsius
29,8
31,9
29,1
25,4
20,8
19,8
20,1
19,6
22,0
24,4
27,6
30,0
Temperatura Mínima Média - Celsius
21,1
21,6
20,0
15,1
13,3
11,0
9,9
10,5
13,0
13,6
15,6
18,7
Umidade Relativa do Ar Média (%)
75,3
72,5
73,8
74,8
84,4
81,6
78,9
76,0
75,2
71,7
66,3
68,6
Precipitação Média Mensal
140,8
182,8
135,8
258,4
40,4
106,4
Temperatura Máxima Média - Celsius
32,3
29,5
27,7
25,9
21,1
18,4
Temperatura Mínima Média - Celsius
22,3
21,3
18,6
15,8
12,1
9,6
Umidade Relativa do Ar Média (%)
73,3
77,0
74,5
77,5
81,8
82,9
11,3
991,9
1611,2
1344,9
1863,2
1309,4
O quadro demonstra chuvas bem distribuidas durante o ano característico do clima
subtropical úmido ou temperado. No período observado a precipitação média anual máxima
de 1863mm ocorreu em 2009 e mínima de 991mm ocorreu em 2006. As variações de
temperatura demonstram estações do ano razoavelmente bem definidas, característico do
estado do Rio Grande do Sul. Os dados demonstram que nossa região não apresenta índices
críticos em relação a precipitação.
30
4.1.2 Histórico da Pluviometria em Santa Cruz do Sul
Dados coletados entre 1914 e 1968 da Estação Santa Cruz do Sul do Serviço de
Meteorologia do Ministério da Agricultura, localizada a 29º43’ de Latitude Sul e 52º25’ de
Longitude Oeste, em uma altitude de 52,5 m, demonstram que o número médio de dias com
chuva no ano foi de 124,7. Segundo Hoppe (2005), os sete meses mais secos foi em junho a
dezembro de 1917 com 476,4 mm, e os sete meses mais chuvosos ocorreram de abril a
outubro de 1928 com 1.578,3 mm. O ano mais seco foi 1962 com total de 858,8 mm e o ano
mais chuvoso foi em 1941, com 2325,4 mm. De acordo com suas observações a ocorrência de
precipitações ao longo dos meses, na média, é bastante homogênea como mostra a Figura 9.
Precipitação pluvial média ( ), precipitação mensal mínima ( ), precipitação mensal máxima (
) em Santa Cruz do Sul (1914 – 1968).
Figura 9 – Precipitação pluvial média, mensal máxima e mínima.
Fonte: Elaborado por Dr. Marcelino Hoppe com dados da Estação Santa Cruz do Sul
do Serviço de Meteorologia do Ministério da Agricultura.
4.2 Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada
Após caracterização dos dados climatológicos foi considerada a etapa de
desumidificação do ar para obtenção de água potável. A Figura 10 mostra o arranjo
experimental para uso das garrafas PET de dois litros com área superficial de 0,08853 m²
contendo no seu interior água congelada.
31
As garrafas foram fixadas com uma linha em uma barra metálica permanecendo com a
tampa para cima a fim de facilitar a fixação e eliminar o uso de acessórios. Todos os ensaios
foram realizados empregando duas garrafas.
Antes do congelamento as garrafas eram lavadas com detergente, água, álcool e água
deionizada e após dispostas no freezer do refrigerador. O período de congelamento das
garrafas era de 12 horas o que garantia o total congelamento da água. Para o congelamento foi
empregado um refrigerador tipo Duplex com consumo de 40kWh mês-1; ao serem retiradas do
freezer as garrafas eram lavadas com água deionizada.
Cones de Imhoff e suporte foram empregados para armazenar a amostra durante o
experimento.
Figura 10: Condensação do ar através de superfície refrigerada empregando garrafas
PET.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
Com a unidade de bancada foram verificados parâmetros operacionais e de controle do
sistema. Os parâmetros de controle envolveram a velocidade do vento admitido para
desumidificação, umidade relativa do ar, temperatura ambiente e temperatura de superfície e
taxa de desumidificação. A coleta de dados foram realizadas de hora em hora.
Os instrumentos de medição empregados foram:
32
Termometro : FLUKE 62 MINI IR Thermometer;
Anemômetro: INSTRUTHERM termo-higro-anemômetro luxímetro digital
portátil Modelo THAL -300.
A fim de simular diferentes velocidade do vento foi empregado um mini ventilador de
12volts, 0,25 ampéres e 3 watts e um circulador de ar doméstico médio 220volts, 0,32
ampères e 70watt.
Os testes foram realizados em triplicata no período de 30/11/2011 a 16/01/2012.
4.3 Análise da Qualidade da Água
A água obtida por desumidificação foi caracterizada com os parâmetros de Matéria
Orgânica, pH, Turbidez, Condutividade, Coliformes totais e Escherichia coli.
Os parâmetros físico-químicos da água coletada foram analisados no Laboratório de
Tecnologia e Tratamento de Águas e Efluentes - LATTAE da UNISC.
A portaria 518/2004 do Ministério da Saúde relaciona o padrão microbiológico de
potabilidade de água para consumo humano nos parâmetros de Escherichia Coli ou coliforme
termotolerantes, Quadro 3.
Quadro 3: Padrão microbiológico de potabilidade de água para consumo humano.
Fonte: Portaria 518/2004 - Ministério da Saúde.
33
A portaria recomenda que no sistema de distribuição o pH da água seja mantido entre
6,0 a 9,5. Na determinação do pH das amostras o método Potenciométrico foi adotado através
de um pHmetro.
O Quadro 4 demonstra os Valores Máximos Permitidos - VPM de turbidez para água
pós-filtração ou pré-desinfecção. Entre os 5% dos valores permitidos de turbidez superiores
aos VMP estabelecidos no Quadro 4, o limite máximo para qualquer amostra pontual deve ser
de 5,0 Unidade de Turbidez - UT, assegurado, simultaneamente, o atendimento ao VMP de
5,0 UT em qualquer ponto da rede no sistema de distribuição.
Quadro 4: Padrão de turbidez para água pós-filtração ou pré-desinfecção
Fonte: Portaria 518/2004 - Ministério da Saúde.
Para os parâmetros de turbidez foi empregado o Método Ótico através de um
turbidímetro.
A portaria não menciona valores máximos permitidos para Oxigênio Consumido - OC
e Condutividade. A determinação do oxigênio consumido fornece a quantidade de material
orgânico que é oxidável na amostra. Valores muito baixos de oxigênio consumido podem
indicar uma elevada carga de material orgânico na amostra o que pode favorecer
o
desenvolvimento de espécies anaeróbicas responsáveis por odores indesejáveis.
O parâmetro de condutividade monitora os íons presentes nas amostras e indica a
pureza da água como é o caso de medições realizadas em água destilada e água deionizada.
Na determinação da condutividade, o Método Eletroqúimico foi adotado empregando
um condutivímetro.
34
4.3.1 Coliformes Totais e Escherichia coli
A determinação de Coliformes totais e Escherichia coli empregou o método que
utiliza placas 3M
TM
de PetrifilmTM. As Placas 3M™ Petrifilm™ para Contagem de
Coliformes (CC) contêm nutrientes do meio Vermelho Violeta Bile (VRB), um agente
geleificante solúvel em água fria e um indicador tetrazólico que facilita a enumeração das
colônias. O filme superior retém o gás formado pelos coliformes fermentadores de lactose.
Após a preparação das amostras nas placas PetrifilmTM deixar incubar em estufa
bacteriológica.
As primeiras leituras foram realizadas após 24 horas de incubação. Foram
contabilizadas as colônias vermelhas e azuis associadas com gás como sendo Coliformes
totais. Após foi contabilizado as colônias azuis associadas com gás como Escherichia coli.
Veja exemplo da Figura 11 onde são demonstradas as colônias vermelhas e azuis de uma
amostra contendo coliformes.
Figura 11: Exemplo de placas 3M TM de PetrifilmTM
Fonte: Laboratório LATTAE – UNISC
Após 48 horas contabiliza-se as colônias azuis associadas ao gás e as soma com as
contabilizadas em 24 horas, este é o resultado de E. coli.
Para expressar os resultados foi necessário observar as diluições realizadas nas
amostras e determinar a eficiência, conforme indica o método, de acordo com o número de
colônias formadas.
35
4.3.2 Determinação do Oxigênio Consumido - OC
As amostras da água coletada foram submetidas ao método permanganato – KMnO4
para determinação do oxigênio consumido. O método é indicado para amostras com baixos
índices de matéria orgânica.
Foi Pipetado 100 ml de amostra em um enlenmeyer de 250 ml, adicionou-se 10 ml de
ácido sulfúrico 1:3 e 10 ml de permanganato de potássio 0,0125N. Em outro enlenmeyer,
colocou-se 100 ml de água destilada, 10ml de ácido sulfúrico 1:3 e através de uma bureta, 10
ml de permanganato 0,125N (branco).
Os dois enlenmeyers foram colocados em banho maria durante exatamente 30
minutos. Por meio de uma bureta foi adicionado 10 ml da solução de oxalato de sódio
0,0125N em cada frasco tornando as soluções incolores.
Em seguida foi titulado uma solução de KMnO4 0,0125N até que uma cor rósea
permanente foi obtida. O volume gasto da solução foi empregado na expressão para
determinação do Oxigênio Consumido.
O teor de OC em p.p.m. emprega a seguinte expressão:
O.C.= [(K-N)] – [(k-n)] x100
Volume da amostra
Em que:
K= volume total em mililitros de KMnO4 , gasto de amostra, incluindo aquele
adicionado antes da ingestão;
N= volume em mililitros, de oxalato usado na amostra;
k= volume em mililitros de KMnO4 usado no branco;
n= volume em mililitros de oxalato usado no branco.
4.4 Configurações dos Sistemas de Desumidificação para Produção de Água
Potável
A configuração da fonte alternativa de água potável envolveu dois sistemas com uso
de energia solar: O Sistema Peltier e o Sistema Ice Maker. No sistema Peltier foram
concebidas e construídas unidade de fotodesinfecção inicial e unidade trocadora de calor com
base na célula de Peltier.
36
Já o sistema ICE MAKER, possui um coletor de irradiação solar parabolóide e tubo
concêntrico com cloreto de cálcio e amônia. O sistema foi inspirado no modelo montado
conforme Vanek (1996). A unidade também apresentou possibilidade de combinar célula
fotovoltaica para suprimento de energias aos ventiladores de baixa potência (3 W), lâmpada
germicida (30 W) e sistema armazenador de água condensada. A unidade de condensação foi
projetada para manutenção da potabilidade com irradiação via colimador em comprimento de
onda de 254 nm.
4.4.1 Sistema Peltier
O projeto da unidade de desumidificação do ar com emprego de célula termoelétrica
de efeito Peltier, (Anexo A), apresenta particularidades especiais tais como o nível de
compactação do sistema e a capacidade de agregar funções no equipamento facilmente
operacionalizadas, Figura 12.
O sistema está dividido em cinco partes:
Fonte de alimentação
Painel elétrico
Unidade de captação de ar e esterilização de ar e água.
Unidade de armazenamento de água
Módulo de condensação
37
Figura 12: Unidade de desumidificação do ar e desinfecção com emprego de célula
termoelétrica.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
O equipamento é abastecido por uma fonte chaveada para PC bivolt 110/220 de
400watt - 6A.
No painel elétrico é possível ligar e desligar o equipamento, controlar o acionamento
de ventiladores que auxiliarão na formação de condensado, acionar a bomba hidráulica para
retirada de água do sistema, controlar a velocidade do temporizador e acionar a lâmpada de
UV para desinfecção da água. Todos os componentes possuem luzes identificadoras de
funcionamento.
A unidade de captação de ar e esterilização de ar e água é formada por uma câmara
situada na parte inferior do equipamento. Um ventilador traseiro faz a coleta de ar para o
sistema e outro posicionado na entrada dos dutos que seguem para o módulo de condensação
maximiza o deslocamento de ar para aquele local.
38
Internamente uma lâmpada germicida ultravioleta – UV, 254nm, é posicionada a fim
de desinfetar o ar da câmara. É de conhecimento que lâmpadas UV são capazes de gerar
Ozônio em pequenas ou grandes quantidades conforme suas características construtivas. O
ozônio gerado pelas lâmpadas circulará pelos dutos do sistema proporcionando um ambiente
desinfetado na estrutura interna do equipamento.
A unidade de armazenamento de água é formada por um tubo de quartzo o qual
permite a passagem de raios UV. Conectado ao tubo de quartzo está à bomba hidráulica
responsável pela retirada de toda água do sistema de armazenamento.
A fim de intensificar a desinfecção por UV refletores de alumínio polido foram
posicionados em torno do tubo de armazenamento de água.
A placa termoelétrica (62x62 mm/120 watts/15,4 volts/14 ampères) está situada no
módulo de condensação. O Módulo é formado por uma caixa de poliestireno expandido EPS, pastilha Peltier, dissipadores de alumínio, ventilador, reservatório plástico e funil.
A pastilha Peltier é inserida na tampa da caixa de EPS que serve de isolamento
térmico da face quente e fria da pastilha. Na parte superior da tampa é posicionado um
dissipador de alumínio disposto em contato com a parte quente da pastilha. Sobre o mesmo
são fixados dois ventiladores que auxiliam na dissipação do calor do lado quente.
Internamente, em contato com o lado frio da pastilha, outro dissipador de alumínio é
fixado. Neste elemento ocorre a condensação da água. A água condensada é armazenada na
unidade de armazenamento formada pelo tubo de quartzo.
Os materiais empregados na elaboração do sistema foram selecionados a fim de
permitir uma fácil usinabilidade, custos reduzidos e fácil reciclagem. O alumínio foi
amplamente empregado em elementos estruturais e acabamentos.
4.4.1.2 Configurações de Células Termoelétricas
A fim de testar uma configuração alternativa de células termoelétricas foi elaborado
um protótipo, (Figura 13), para colocação de duas pastilhas de 62x62 mm sobrepostas.
O sistema consiste em uma chapa de alumínio onde são fixadas sob a mesma duas
pastilhas. Um ventilador fará a dissipação do calor no lado mais quente.
O protótipo possibilitou uma série de testes de funcionamento da célula termoelétrica.
Diferentes tensões e intensidades de corrente foram submetidas a fim de averiguar o
39
desempenho das pastilhas e a formação de condensação. Aplicou se uma tensão de 01 a 08
volts nas células o que possibilitou registrar a intensidade de corrente e calcular a potência
elétrica e o consumo de energia.
Protótipo
Fonte CC
Ventilador
Figura 13: Protótipo para teste de configurações de pastilhas termoelétricas.
Fonte: Acervo – Eliezer Henker
Com o propósito de testar a pastilha termoelétrica considerando somente sua área do
lado frio como superfície de condensação, cerca de 3,844x10-3 m² um sistema simplificado foi
montado sobre a bancada. Na Figura 14 é possível visualizar o termômetro digital empregado
nas medições, a fonte de tensão de corrente contínua - CC de 30 ampères com amperímetro e
voltímetro digital ajustável, a fonte auxiliar de corrente contínua para funcionamento dos
ventiladores e o multímetro digital para efetuar medidas elétricas.
40
Multímetro
Fonte CC auxiliar
Ventilador
Dissipador
Célula
Termoelétrica
Termômetro
Digital
Fonte CC
Figura 14: Formação de gelo e orvalho em configuração de duas células termoelétrica
sobrepostas.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
O experimento empregou dois ventiladores de 12 volts e 0,24 ampères cada e uma
fonte de tensão adicional para fornecer energia aos ventiladores.
Testes com um segundo modelo de célula termoelétrica de dimensões menores com
cerca de 1,6x10-3 m² de área na superfície de condensação foram realizados nas configurações
simples e sobrepostas, Figura 15.
41
Multímetro
Digital
Fonte CC auxiliar
Ventilador
Dissipador
Célula
Termoelétrica
Fonte CC
Figura 15: Experimentação de duas células termoelétricas sobrepostas de 40x40mm.
Fonte: Acervo – Eliezer Henker
4.4.2 Sistema ICE MAKER
O projeto Gerador de Gelo com Energia Solar (ICE MAKER) teve por objetivo
utilizar o ciclo dia/noite para geração de gelo a partir da Amônia.
O projeto foi subdividido em quatro partes:
Refletor Parabolóide
Cápsula Geradora
Serpentina condensadora
Tanque térmico
Inicialmente foi elaborado um croqui para um projeto piloto de um sistema compacto
de desumidificação com emprego de NH3, Figura 16, para somente posterior construção em
escala maior do sistema regenerativo de compressão e descompressão de NH3. O projeto
42
previa um sistema de dimensões reduzidas capaz de ser inserido em uma capela de
laboratório; o aquecimento se daria através de uma manta térmica.
Figura 16: Projeto inicial de Sistema regenerativo de compressão e descompressão de
NH3.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
43
O projeto em escala de bancada não foi construído, pois foi evidenciada a
inviabilidade de construção de dois sistemas semelhantes tanto economicamente como
também em relação ao cumprimento dos prazos por parte dos fornecedores.
Passou-se assim a elaboração de esboços para determinar características de projeto e
particularidades do sistema construído, (Anexo B).
O refletor parabolóide tem por objetivo concentrar os raios solares na Cápsula
Geradora, Figura 17.
Mancal
Refletor
Paraboloide
Caixa
Térmica
Cápsula
Geradora
Serpentina
Condensadora
Cavalete
Tanque
Térmico
Figura 17: Projeto ICE MAKER – Identificação das partes.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
Confeccionado em estrutura de aço carbono SAE1008 40 mm x 40 mm, com
dimensões externas de dois metros de profundidade, 1,5 metros de altura e 4,5 metros de
comprimento. O sistema parabólico é fixado sobre mancais fixos nos cavaletes laterais
permitindo assim sua mobilidade e regulagem para reflexão e concentração dos raios solares
sobre a cápsula geradora. Inicialmente o projeto previa que a região de reflexão seria
confeccionada em chapa de aço inox polida ou alumínio polido. Em virtude do elevado custo
dos materiais, o refletor parabolóide foi confeccionado em alumínio opaco, reduzindo assim
44
sua eficiência na reflexão dos raios solares. Futuramente será possível providenciar o
polimento da região refletora a fim maximizar a eficiência de reflexão.
A estrutura externa do sistema parabólico possui moldura em aço carbono que permite
a colocação de vidro sobre a mesma. A colocação de vidro tem por objetivo proporcionar o
efeito estufa no sistema diminuindo assim o tempo de ciclo e a eficiência em dias nublados.
A cápsula geradora, Figura 17, tem por objetivo armazenar o dessecante cloreto de
cálcio – CaCl2 empregado no sistema. Durante o dia é aquecida pelos raios solares o que
ocasiona um aumento de pressão interna do sistema.
A cápsula é confeccionada em tubo de aço carbono para alta pressão de três polegadas
de diâmetro, por quatro metros de comprimento. O sistema prevê conexões e registros para
alta pressão, união em aço carbono, manômetro em inox com escala até 2000 psi, dois acessos
com registro para realização de vácuo e abastecimento de amônia e registro principal. A
pressão interna do sistema pode ultrapassar 200 psi ou seja 13,6 Atm.
A serpentina condensadora, Figura 17, tem por objetivo condensar o gás de amônia
proveniente da cápsula geradora. A serpentina é confeccionada em tubo de aço carbono para
alta pressão de 0,5 polegada de diâmetro. Na entrada possui niple para acoplamento junto a
união da cápsula geradora e registro. A serpentina é confeccionada em segmentos de tubo de
aço carbono e joelhos para alta pressão. A serpentina localiza-se dentro de uma caixa térmica
que pode assumir a função de reservatório. A saída da serpentina do reservatório previu flange
com vedação. Ao final da serpentina tem registro e união para acoplamento do tanque
térmico.
O tanque térmico, Figura 17, é confeccionado em chapa galvanizada, possui camada
interna de Poliestireno expandido, EPS, de quatro centímetros de espessura. O tanque térmico
possui tampa de EPS revestida de chapa galvanizada. No seu interior tem uma bandeja em
inox de 50 mm de altura que ocupa toda a área interna inferior do tanque; neste local há o
recolhimento do vapor de água condensado. A bandeja é posicionada com inclinação de 5
graus.
Em um dos lados da bandeja é fixada uma torneira metálica que transpassa o tanque
térmico ficando do lado externo. Um apoio em Inox dá sustentação ao tanque de
armazenamento de amônia.
45
O tanque de armazenamento de amônia é confeccionado em tubo de aço carbono para
alta pressão de 3 polegadas de diâmetro. Possui tampão em uma das extremidades e na outra
possui redução, registro e niple para acoplamento na união da serpentina condensadora. Sua
função é armazenar a amônia liquefeita no ciclo noturno.
O tubo de 3 polegadas de diâmetro contém aletas de alumínio que favorecerá a troca
de calor no ciclo noturno. Em uma das laterais da caixa térmica, na parte superior, possui
abertura onde é fixo um ventilador que auxiliará a formação de condensado de ar sobre as
aletas de alumínio.
O sistema prevê um ventilador acionado por relé fotovoltaico no período noturno. O
fornecimento de energia é disponibilizado por uma fonte de tensão de 12 volts e 2 ampères,
alimentado por baterias carregadas através de energia solar por intermédio de células solares
fotovoltaicas.
O sistema ICE MAKER está localizado na Central de Tratamento de Resíduos –
CETER no campus universitário central da UNISC. No local há disponibilidade de radiação
solar durante todo o dia, possui cercamento de suas dependências e acesso restrito de pessoas
no local e que favorece o manuseio do equipamento e a coleta de dados, Figura 18.
Figura 18: ICE MAKER na CETER-UNISC
Fonte: Acervo Eliezer Henker
46
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Aspectos Climatológicos
A temperatura de ponto de orvalho é um fator chave no dimensionamento de sistemas
de desumidificação para obtenção de água através da condensação. Os sistemas propostos
idealizados buscam na sua concepção apresentar a superfície de condensação com
temperatura abaixo do ponto de orvalho, minimizando assim problemas de ausência de
condensação.
Considerando que as precipitações anuais são satisfatórias na região e a umidade
relativa do ar média anual fica entre 65 a 85% e a faixa de temperatura média mínima e
máxima se concentra entre 5 a 35°C; a temperatura do ponto de orvalho poderá oscilar entre
-1 e 32°C. Sob esSa perspectiva o regime de trabalho dos sistemas desumidificadores
propostos tem na sua superfície de condensação temperaturas abaixo do ponto de orvalho
considerando a umidade relativa do ar e a temperatura ambiente no local do experimento.
Durante as observações experimentais ficou evidente uma pequena variação da
temperatura e umidade relativa do ar durante o tempo de coleta, fato comum em se tratando
de climatologia, pois durante o dia há uma oscilação de temperatura ambiente e da umidade
relativa do ar. Durante o dia quando a temperatura máxima é atingida, a umidade relativa será
mínima e quando a temperatura do ar atingir a temperatura do ponto de orvalho a umidade
relativa será máxima, ou seja, 100% e poderá haver condensação.
A partir da tabulação dos dados da estação meteorológica da UNISC foi possível a
elaboração da Figura 19, demonstrando as precipitações médias mensal entre os anos de 2005
e 2011. As precipitações dependem de muitas variáveis entre elas as frentes frias, condições
de relevo, pressão atmosférica, temperatura do ar, direção e velocidade dos ventos enquanto
que a umidade relativa é inversamente correlacionada com temperatura do ar.
As curvas de temperatura média mínima e máxima do período, Figura 20 e 21, exibem
a normalidade do ciclo das estações do ano – verão/ outono/ inverno/ primavera. A Figura 22
demonstra a variação da umidade relativa média durante o ano e informa que no período do
inverno, quando as temperaturas são mais baixas, a umidade relativa do ar é maior.
Sistemas desumidificadores que interpretam esses dados de entrada, tais como, a
temperatura da face fria, temperatura ambiente e umidade relativa podem economizar energia
no seu funcionamento, adequando a temperatura da superfície fria do sistema para que a
temperatura não fique muito abaixo da temperatura de ponto de orvalho.
47
Assim a eficiência do sistema e a redução do consumo energético é mais apropriada.
Precipitação - (mm)
Precipitação Média Mensal
450
405
360
315
270
225
180
135
90
45
0
JAN
FEV
MAR ABR
2005
2006
MAI
JUN
2007
JUL
AGO
2008
SET
OUT NOV
2009
2010
DEZ
2011
Figura 19: Precipitação Média Mensal em milímetros do Campus Universitário de
Santa Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011
Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC.
Temperatura Máxima Média
Temperatura - (⁰C)
35
30
25
20
15
JAN
FEV
2005
MAR
ABR
2006
MAI
2007
JUN
JUL
2008
AGO
SET
2009
OUT
NOV
2010
DEZ
2011
Figura 20: Temperatura Máxima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa
Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011
Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC.
48
Temperatura Mínima Média
Temperatura - (⁰C)
25
20
15
10
5
JAN
FEV
2005
MAR
ABR
2006
MAI
JUN
2007
JUL
2008
AGO
SET
2009
OUT
NOV
2010
DEZ
2011
Figura 21: Temperatura Mínima Média em Celsius do Campus Universitário de Santa
Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011
Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC.
Umidade Relativa do Ar Média - (%)
Umidade Relativa - %
90
85
80
75
70
65
60
JAN
FEV
2005
MAR
ABR
2006
MAI
2007
JUN
JUL
2008
AGO
SET
2009
OUT
2010
NOV
DEZ
2011
Figura 22: Umidade Relativa do Ar Média em % do Campus Universitário de Santa
Cruz do Sul -UNISC no período de janeiro de 2005 a junho de 2011
Fonte: Dados coletados da Estação Meteorológica Campus Central UNISC.
49
5.2 Resultados dos Ensaios de Desumidificação em Escala de Bancada.
Os experimentos realizados sem a presença de vento levou em consideração a área
superficial de duas garrafas de PET totalizando 0,177m² e o tempo de amostragem em horas,
Tabela 1. A energia consumida para congelar as garrafas PET foi de 0,66kWh para cada 12
horas de congelamento.
Tabela 1: Teste sem presença de vento
Data
30/11/2011
1/12/2011
2/12/2011
Temp. média
Duração da superfície da
(h)
garrafa (°C)
04:00
05:00
05:00
Temp.
Ambiente
média (C°)
UR média
(%)
Volume
coletado
(L h-1m-2)
27,84
24,05
25,85
56,8
44,6
45,8
0,14
0,04
0,06
5,47
5,93
6,00
Empregando a velocidade do vento de 1,2 km h-1 a produção de água através da
condensação nas garrafas PET é acentuada, Tabela 2. Essa velocidade foi alcançada
empregando um mini ventilador de 12 volts e 0,25 ampéres. Para esta situação o consumo de
energia elétrica foi de 0,68 kWh para cada coleta.
Tabela 2: Teste com a presença de vento de 1,2 km/h
Temp. média
da superfície
Temp.
Duração
da garrafa
Ambiente
UR média
Data
(h)
(°C)
média (C°)
(%)
23/12/2012 05:00
7,00
28,32
47,65
10/1/2012
05:00
7,45
28,72
50,02
12/1/2012
05:00
9,89
27,43
57,62
Volume
coletado
(L h-1m-2)
0,16
0,18
0,23
Os testes experimentais com a velocidade do vento de 8,5 km h-1 empregando um
ventilador doméstico tipo circulador de 220 volts, 0,3 ampéres e 70 watts teve um aumento
considerável da produção de água conforme demonstra a Tabela 3. Neste caso é necessário
considerar que o consumo total de energia elétrica é de aproximadamente 1,0 kWh.
50
Tabela 3: Teste com a presença de vento de 8,5 km/h
Temp. média
da superfície
Temp.
Duração
da garrafa
Ambiente
UR média
Data
(h)
(°C)
média (C°)
(%)
11/1/2012
05:00
17,00
29,68
53,03
13/1/2012
05:00
14,12
25,03
72,28
16/1/2012
05:00
12,05
25,50
65,47
Volume
coletado
(L h-1m-2)
0,23
0,34
0,31
A máxima produção de condensado aquoso foi no dia 13/01/2012 onde a temperatura
média observada no local do experimento ficou em 25,03 °C, a umidade relativa média era de
72,28% e a velocidade do vento era de 8,5 km h-1.
O total de volume coletado foi de 0,34 L h-1m-2 com um consumo energético de
1,0kWh. Nesta situação a temperatura do ponto de orvalho estava próxima de 18°C e a
temperatura na superfície fria das garrafas estava em média 14,12°C no período de coleta.
5.3 Determinação da Qualidade da Água nas Amostras do Sistema em Escala de
Bancada
As análises parciais da qualidade da água obtida por desumidificação no sistema em
escala de bancada não apresentaram vestígios de coliformes totais e Escherichia coli no testes
em triplicata realizados com placas 3M
TM
de PetrifilmTM com incubação de 24 e 48 horas,
Figuras 23 e 24.
Figura 23: Placas 3M TM de PetrifilmTM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes
com incubação de 24 horas.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
51
Figura 24: Placas 3M TM de PetrifilmTM com diluição da amostra de 10 e 100 vezes
com incubação de 48 horas.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
Na preparação dos experimentos em bancada, logo após a retirada das garrafas PET do
freezer foi efetuado a lavagem da garrafa com água deionizada. Está água também foi
submetida à análise para determinação do oxigênio consumido.
Os parâmetros de oxigênio consumido empregando o Método Permanganato – KMnO4
demonstram índices baixíssimos de matéria orgânica presente na água de lavagem das
garrafas PET e das amostras, Tabela 4, o que indica baixos índices de microrganismos
presente na água coletada.
Tabela 4: Oxigênio Consumido – O.C.
Água de lavagem
Data
(mg L-1)
13/01/2012
4,0
16/1/2012
3,4
17/1/2012
3,3
Amostra 1
(mg L-1)
3,4
3,9
4,6
Amostra 2
(mg L-1)
3,3
8,7
7,0
Na realização dos testes de pH, turbidez e condutividade foram analisadas as amostras
de cada garrafa do experimento.
As medições de pH estão dentro dos valores máximos permitidos pela portaria
518/2004 do Ministério da Saúde porém é identificado alguns casos de alcalinidade mais
acentuada como mostra as Tabela 5 e 6 na data de 12/01/2012 onde o pH das amostras
ficaram em 8,2.
52
Tabela 5: pH, Turbidez e Condutividade da garrafa 1
Turbidez
Data
pH
(UT)
Dia 12/01/2012 (c/vento: 1,2 km/h)
Dia 11/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h)
Dia 13/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h)
Dia 16/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h)
8,20
7,80
6,80
7,58
0,85
0,56
0,39
0,38
Tabela 6: pH, Turbidez e Condutividade da garrafa 2
Turbidez
Data
pH
(UT)
Dia 12/01/2012 (c/vento: 1,2 km/h)
Dia 11/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h)
Dia 13/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h)
Dia 16/01/2012 (c/vento: 8,5 km/h)
8,20
7,90
7,19
7,58
0,74
0,67
0,40
0,84
Condutividade
(µs cm-¹)
42,20
20,49
12,50
55,50
Condutividade
(µs cm-¹)
57,50
19,41
15,85
24,50
A turbidez é um parâmetro que varia com a quantidade de sedimentos não dissolvidos
suspensos na água. Neste caso quanto maior a quantidade de material particulado em
suspensão maior será a Unidade de Turbidez - UT da amostra. Os experimentos
demonstraram baixíssimos valores de UT nas amostras conforme Tabelas 5 e 6 estando de
acordo com os valores máximos permitidos pela portaria 518/2004 do Ministério da Saúde.
Os índices de condutividade da água servem para verificar a pureza, concentrações
minerais e o teor de substâncias iônicas dissolvidas. Portanto, quanto menor a condutividade
medida da água mais pura ela pode ser considerada. Nas amostras relacionadas nas Tabelas 5
e 6 os valores de condutividade podem ser considerados baixos, o que indica pouca
concentração mineral e baixos teores de substâncias iônicas dissolvidas.
5.4 Resultados dos Ensaios com Células Termoelétricas de Efeito Peltier
Estudos preliminares apontaram para o emprego de PWM - Pulse-Width Modulation
(Modulação da largura de Pulso) para controlar a corrente elétrica nas pastilhas Peltier, Figura
25. O uso dessa tecnologia é empregado para variar a entrega de potência em determinada
carga fazendo com que haja um controle de corrente elétrica ora ligada, ora desligada,
provocando uma queda de tensão muito baixa no circuito.
53
Esse sistema permite controlar o fluxo de corrente através de um potenciômetro ou
microcontrolador. Também é possível a redução do consumo energético tendo em vista o
fornecimento de corrente elétrica ser através de pulsos e não continuamente.
O módulo PWM deve permitir a circulação de corrente de 14 ampères com base no
modelo de célula termoelétrica empregada.
Entretanto a elaboração de um sistema PWM capaz de suportar a carga de 120Watt
tornou-se um elemento especial de difícil construção para o protótipo; um temporizador de
um a quinze segundos para controlar o ligamento e desligamento da célula foi utilizado no
experimento.
Figura 25: PWM para 1Ampère
Fonte: Acervo Eliezer Henker
O teste experimental empregando o protótipo permitiu testar o sistema com uma ou
duas células termoelétricas. O objetivo do teste foi verificar a relação tensão/corrente, o
consumo e possível formação de orvalho do sistema, Figura 26.
Vista em perspectiva
54
Vista lateral
Figura 26: Pastilha Peltier – configurações de montagem do protótipo.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
Aplicou-se a tensão de um a oito volts na célula termoelétrica verificando assim a
intensidade de corrente consumida pelo sistema. A configuração aplicada foi de duas pastilhas
sobrepostas . Os intrumentos empregados foram uma fonte de tensão de corrente contínua
modelo DC Instrutherm FA2030 com capacidade de 30 ampères a 24 volts, um multímetro
digital modelo Minipa ET2037 e um anemômetro Instrutherm termo-higro-anemômetro
luxímetro digital portátil Modelo THAL -300.
Com os dados coletados foi possível verificar a intensidade de corrente para cada volt
de tensão fornecida ao sistema e calcular a potência elétrica consumida bem como o consumo
em kWh como é demonstrado na Tabela 7. Nas medições realizadas do protótipo
desconsiderou-se o consumo dos ventiladores de arrefecimento. Na ocasião a temperatura
ambiente estava em 30°C.
Tabela 7: Medições realizadas no protótipo com pastilhas sobrepostas.
Tensão (V)
Corrente (A)
Potência (W) Consumo (kWh)
1
2
3
4
5
6
7
8
1,2
2,6
3,8
5,2
6,3
7,6
8,8
9,8
1,2
5,2
11,4
20,8
31,5
45,6
61,6
78,4
0,0012
0,0052
0,0114
0,0208
0,0315
0,0456
0,0616
0,0784
55
O sistema testado não apresentou formação considerável de orvalho, somente uma
superfície levemente úmida. A área de condensação neste caso era de 0,25m², a umidade
relativa do ar era de 80%. Neste experimento não foi realizado medições de temperatura no
lado frio da pastilha devido à reduzida condensação presenciada.
A fim de verificar a temperatura da superfície fria da pastilha termoelétrica um sistema
foi montado sobre a bancada com duas pastilhas sobrepostas. No lado quente foi fixado um
dissipador de alumínio e dois ventiladores, Figura 27. Os ventiladores foram acionados por
uma fonte de tensão de corrente contínua de 12 volts e 2 ampères; cada ventilador tem
potência de 3watts.
Dissipador
Célula
Peltier
Ventilador
Superfície
com
condensação
Gotas
de
orvalho
Figura 27: Sistema sobre bancada de pastilha termoelétrica sobreposta.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
A Tabela 8 apresenta os dados coletados em relação à tensão, intensidade de corrente,
potência elétrica, consumo em kWh e temperatura do lado frio da pastilha termoelétrica de
dimensões 62x62 mm. Neste caso houve a formação de gelo e orvalho imediatamente após o
sistema ser ligado. A temperatura mínima medida foi de -13°C.
O experimento foi limitado a uma tensão de 8 volts devido à capacidade do
termômetro em medir temperaturas inferiores a -15°C. O termômetro empregado foi
termômetro digital marca/modelo Minipa MT-360.
o
56
De acordo com as especificações técnicas da pastilha termoelétrica o gradiente de
temperatura entre a face quente e fria é de 67°C para uma intensidade de corrente máxima de
14 ampères e uma tensão máxima de 15,4 volts. Nessas condições mantendo a temperatura do
lado quente em 40°C teoricamente chegaríamos a uma temperatura de -27°C no lado frio da
pastilha.
O consumo energético total do sistema, empregando 8 volts e 10,4A é de cerca de
0,0892 kWh considerando os ventiladores de arrefecimento; a área de condensação é somente
a área do lado frio da pastilha, cerca de 3,844 x 10-3 m2.
Tabela 8: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas 62x62 mm
Temperatura no
Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Consumo (kWh)
lado frio (°C)
1
1,0
1,0
0,0010
20,0
2
2,3
4,6
0,0046
13,5
3
3,7
11,1
0,0111
5,0
4
5,2
20,8
0,0208
0,0
5
6,4
32,0
0,0320
-5,0
6
7,9
47,4
0,0474
-9,0
7
9,4
65,8
0,0658
-9,0
8
10,4
83,2
0,0832
-13,0
Nos testes experimentais com pastilhas termoelétricas de dimensões menores, 40x40
mm, Figura 28, o consumo máximo do sistema foi de 35 x 10-3 kWh. Nestes testes com
somente uma pastilha não foi necessário o emprego de ventilador para arrefecimento, o
dissipador de alumínio foi suficiente para a temperatura do lado quente não ultrapassar a
temperatura máxima de trabalho da pastilha. No lado frio houve formação de condensado
aquoso.
57
Montagem simples – uma pastilha
Montagem sobreposta – duas pastilha
Figura 28: Sistema sobre bancada de pastilhas termoelétrica 40x40mm.
Fonte: Acervo Eliezer Henker
As Tabelas 9 e 10 demonstram os dados coletados nas duas configurações proposta
nos experimentos. A pastilha 40x40 mm tem uma área de 1,6 x10-3 m2. Para a montagem do
sistema com pastilhas termoelétricas sobrepostas o consumo de energia foi de 81 x 10-3 kWh
considerando um ventilador de 12 volts e 0,25 ampères para o arrefecimento. Neste
experimento houve a formação de gelo e condensado aquoso no lado frio da pastilha.
Tabela 9: Medições realizadas em bancada com pastilha 40x40 mm
Tensão (V)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Corrente (A)
0,2
0,6
1,0
1,4
1,8
2,2
2,5
2,9
3,2
3,5
Potência (W)
0,2
1,2
3,0
5,6
9,0
13,2
17,5
23,2
28,8
35,0
Consumo kWh
0,0002
0,0012
0,0030
0,0056
0,0090
0,0132
0,0175
0,0232
0,0288
0,0350
58
Tabela 10: Medições realizadas em bancada com pastilhas sobrepostas de 40x40 mm
Tensão (V)
Corrente (A)
Potência (W)
Consumo kWh
1
0,7
0,7
0,0007
2
1,5
3,0
0,0030
3
2,5
7,5
0,0075
4
3,4
13,6
0,0136
5
4,2
21,0
0,0210
6
5,0
30,0
0,0300
7
5,8
40,6
0,0406
8
6,4
51,2
0,0512
9
7,0
63,0
0,0630
10
7,6
76,0
0,0760
5.5 Construção de Sistema de Desumidificação para Geração de Água Potável
com Uso de Célula Termoelétrica.
O sistema projetado, ANEXO A, para geração de água potável com o emprego de
células termoelétricas, apresentou um custo relativamente baixo em torno de R$1200,00 com
a unidade de desinfecção. É possível construir um sistema simplificado sem a unidade de
desinfecção ao custo de R$400,00.
A concepção do sistema desumidificador com uso de célula termoelétrica procurou
empregar materiais de baixo custo. Na sua construção empregaram-se materiais tais como:
alumínio, aço, plásticos diversos, fios de cobre, placas de circuito eletrônicos, componentes
eletrônicos e lâmpada.
Um amplo estudo experimental de configurações empregando pastilhas Peltier foi
realizado, bem como, definir as propriedades termodinâmicas que apresentaram resultados
satisfatórios na obtenção de água. As pastilhas sobrepostas de 62x62 mm foram empregadas
no equipamento.
No equipamento foram inseridos dois ventiladores para obter uma ventilação
satisfatória no lado frio da pastilha para a formação do condensado aquoso. O equipamento
permite o acionamento individual dos ventiladores podendo assim variar a velocidade do
vento na câmara de condensação. Através dos testes realizados é necessário acionar os dois
ventiladores para obter uma maior formação de condensado aquoso, Figura 29.
59
Figura 29: Vistas com corte parcial do equipamento com célula termoelétrica.
Fonte: Projeto Eliezer Henker
No equipamento a área de condensação considerada foi a área da pastilha
termoelétrica no lado frio, cerca de 3,844 x 10-3 m2. A tensão destinada às pastilhas foi de 10
volts e a intensidade de corrente de 6,6 ampères.
O equipamento fornece tensões de 10, 12 e 220 volts. Para a tensão de 12 volts, a
potência total foi de 25 watts (ventiladores e lâmpadas indicadoras), quando acionado a
bomba hidráulica há um acréscimo de 24 watts; para a tensão de 220 volts a potência total foi
de 11 watts (lâmpada germicida e lâmpadas indicadoras).
O Quadro 5 relaciona os dados coletados empregando o sistema de desumidificação
com célula termoelétrica. Aparentemente os melhores resultados demonstram que o volume
de água coletado pode chegar a 2,6 L m-2 h-1 com uma umidade relativa do ar de 80% e vento
na faixa de 7 km h-1, porém, o consumo energético pode chega a 7,92 kWh para cada litro de
condensado aquoso nessas condições.
60
Quadro 5: Dados relacionados empregando pastilha termoelétrica sobreposta de
62x62mm.
Fonte: Elaborado por Eliezer Henker
Coleta Coleta Coleta Coleta Coleta Coleta
Dados
1
2
3
4
5
6
2
8
2
3
6
12
Tempo de coleta (h)
0,020
0,041
0,008
0,010
0,032
0,050
Volume total coletado (L)
Volume total coletado por Hora (L/h) 0,01000 0,00513 0,00400 0,00333 0,00533 0,00417
25,0
30,7
27,3
31,7
28,9
29,3
Temperatura ambiente (°C)
21,0
20,6
21,0
21,0
21,0
21,0
Temperatura do ponto de orvalho (°C)
80,0
59,5
70,0
55,0
60,0
63,0
Umidade Relativa (%)
79,2
66,7
66,7
66,7
66,7
66,7
Potência Total (Watt)
0,0792 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667
Consumo (kWh)
Velocidade do vento no condensador
7,0
16,5
16,5
16,5
16,5
12,5
(km/h)
Consumo energético teórico para
formação de 1 litro de condensado
7,92
13,01
16,68
20,01
12,51
16,01
aquoso (kWh)
Produção teórica de condensado
aquoso por hora em 1,0 m² de células
2,60
1,33
1,04
0,87
1,39
1,08
peltier (L)
Observa–se que o controle da temperatura do ponto de orvalho é um fator
determinante para redução do consumo energético tendo em vista que durante os
experimentos não houve esse controle e a célula esteve sempre com a temperatura do lado frio
em torno de -13°C, bem abaixo da temperatura do ponto de orvalho que era de
aproximadamente 21°C.
Com umidades relativas em torno de 60% e temperatura ambiente de 29,9°C a
produção em volume de água fica em torno de 1,39 L m-2 h-1 com um consumo energético de
12,51 kWh.
5.6 Construção de Sistema de Desumidificação para Obtenção de Água Potável
com Uso de NH3 e CaCl2 - ICE MAKER
O sistema, ICE MAKER, ANEXO C, proposto por Vanek, (1996) está em fase de
testes na Estação de Tratamento de Resíduos - CETER no campus central da Universidade de
Santa Cruz do Sul. . Detalhes específicos, referentes à sua construção, apresentam uma
61
logística diferenciada e preocupações adicionais devido ao perigo ocupacional de operação
com NH3.
O conjunto composto por refletor parabolóide, cápsula geradora, serpentina
condensadora e o tanque térmico estão finalizados. O sistema ICE MAKER emprega na sua
construção aço e alumínio de maneira geral, também utiliza para funcionamento a NH3 e
CaCl2.
Para operação, o sistema ICE MAKER necessita somente de radiação solar durante o
dia, entretanto para maximizar o rendimento de produção de água, um ventilador deverá ser
inserido no sistema. Testes com o ângulo de inclinação do parabolóide são necessários para
determinação do melhor aproveitamento da energia solar para aquecimento da cápsula
geradora.
Os raios solares aquecem o tubo gerador onde contém a amônia e o cloreto de cálcio;
com a elevação da temperatura aumentará a pressão interna do tudo fazendo com que a
amônia passe pela serpentina onde haverá troca de calor com o meio exterior arrefecendo o
gás
de amônia e condensando-o. Durante o dia a amônia líquida fica armazenada no
reservatório localizado no tanque térmico. Com a chegada da noite o tubo gerador resfria e a
amônia faz a passagem inversa no sistema. Este retorno se dá devido ao CaCl 2 ser um agente
dessecante altamente absorvente e a pressão interna do sistema cair devido a diminuição de
temperatura, com isso, a amônia retira calor do meio no tanque térmico fazendo com que a
superfície das aletas fiquem resfriadas para formar gelo e condensação.
Recipientes contendo água estão posicionados internamente no tanque térmico a fim
de congelar e gerar condensado aquoso no período do dia.
Medições pontuais verificaram 120°C na parede da cápsula geradora quando há
alinhamento dos raios solares com o refletor parabolóide sobre a cápsula geradora. Ensaios
verificando a abertura de válvulas do circuito estão sendo propostas para determinar o melhor
funcionamento do sistema.
O volume total da tubulação do sistema é de 2,26 x 10 -2 m3; a massa presente de NH3
é de 4,5 Kg e a massa de CaCl2 é de 3 kg. O cloreto de cálcio, por ser um sal, apresenta
propriedade corrosiva para o sistema, o que demandará manutenções periódicas. Uma cápsula
elaborada por tela de nylon servirá de suporte para o sal a fim de minimizar o contato com a
superfície interna da tubulação de aço.
O sistema de desumidificação ICE MAKER tem um custo aproximado de R$ 9.000,00
e demandará de manutenções periódicas envolvendo pintura e conservação das conexões bem
como a eliminação de eventuais vazamentos. O sistema poderá sofrer modificações para que o
62
ciclo noite seja induzido até três vezes durante o dia para que a quantidade de condensado
aquoso seja maior.
63
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES
A região analisada pela pesquisa climatológica apresenta bons índices de umidade
relativa do ar. Nos períodos noturnos e o início da manhã são mais propícios para obtenção de
água, tendo em vista, que a temperatura ambiente decresce e há uma elevação da umidade
relativa do ar. Se comparado o local da pesquisa com
regiões semiáridas e áridas, as
estratégias de obtenção de água, através de sistemas não convencionais, como é o caso do
emprego da célula termoelétrica, têm certa vantagem de operacionalização em nossa região.
A concepção do sistema desumidificador com uso de célula termoelétrica procurou
empregar materiais de baixo custo e facilmente aceitos no mercado de recicláveis. A sua
construção emprega materiais como: alumínio, aço, plásticos diversos, cobre, placas de
circuito eletrônicos, componentes eletrônicos e lâmpada.
Os custos do projeto empregando pastilhas Peltier ficaram em torno de R$1.200,00
com a unidade de desinfecção. É possível construir um sistema simplificado sem a unidade de
desinfecção ao custo de R$ 400,00.
A pastilha termoelétrica tem uma vida útil longa, testes de qualidade de alguns
fornecedores indicam mais de 1000 horas de trabalho sem interrupção e 5000 ciclos de
ligamento e desligamento, segundo eles as pastilhas podem durar cerca de 200.000 a 300.000
horas se observado os requisitos técnicos necessários.
A unidade de desinfecção presente no sistema pode ser empregada separadamente para
submeter amostras de água à radiação UV. Para isso, basta verter água no módulo de
condensação e retirá-la através da bomba hidráulica com a lâmpada ligada.
Empregando-se células termoelétricas de efeito Peltier é possível obter água potável a
partir de superfícies refrigeradas. A produção de água com umidade relativa de 80% pode ser
de até 2,6 L m-2 h-1 e o consumo energético fica em torno de 7,92 kWh para cada litro de água
coletada. Considerando que no período da noite e o início da manhã as temperaturas são mais
amenas e a umidade relativa do ar é mais elevada é previsível um funcionamento eficiente de
aproximadamente 15 horas por dia do equipamento.
A célula termoelétrica demonstra sua eficiência em sistemas compactos de obtenção
de água. O sistema desenvolvido pode ser empregado onde há necessidade de formação de
condensado aquoso em pequenas quantidades.
A facilidade do manuseio e operação do sistema inova o ambiente experimental
permitindo o estudo de superfícies refrigeradas para obtenção de água potável e também o
64
estudo dos fenômenos da refrigeração e climatização em pequenos ambientes educacionais. O
equipamento tem massa total de 5 kg.
O sistema permite a incorporação de sensores e controladores eletrônicos que podem
aumentar o controle dos parâmetros de funcionamentos. A incorporação de um controlador
PWM pode trazer uma nova perspectiva na redução do consumo energético do sistema.
Esta tecnologia pode contribuir para o desenvolvimento sustentável do planeta
incorporando fontes de energias renováveis na sua operação. Estudos em semi-condutores
estão evoluindo e o uso de células termoelétricas já está amplamente difundido pela industria
de bens de consumo para obtenção de superfícies frias.
No sistema ICE MAKER se faz necessário determinar adequadamente as variáveis de
funcionamento. O sistema está instalado na Central de Tratamento de Resíduos – CETER no
campus universitário central da UNISC e permitirá o desenvolvimento de experimentos que
indiquem a situação adequada de funcionamento, a quantidade de condensado aquoso
produzida durante o ciclo dia/noite e a qualidade da água coletada.
Ambos os sistemas necessitam de células solares fotovoltaicas ou energia elétrica
tradicional para funcionamento pleno. Não foram estimados os custos de incorporação de
células fotovoltaicas para os sistemas. No caso do ICE MAKER a energia elétrica servirá para
movimentar os ventiladores que intensificam a formação de condensado na superfície fria das
aletas do tanque térmico.
De acordo com os testes parciais de potabilidade a água coletada apresenta resultados
favoráveis para o consumo humano. A fim de melhorar e garantir estes níveis, um sistema de
filtração pode ser acrescentado.
No estado do Rio Grande do Sul os níveis de precipitação pluviométrica são
satisfatórios e períodos de seca sempre ocorreram. O que não há é a gestão adequada dos
recursos hídricos e investimento em infra-estrutura que garantem o abastecimento de água em
períodos de seca.
Em casos extremos tais como catástrofes naturais, acidentes, locais de difícil acesso e
regiões áridas e semiáridas a coleta de água através da condensação em superfícies frias pode
ser uma ótima alternativa para obtenção de água potável.
65
6.1 Sugestões para Continuidade do Trabalho.
Aplicação de PWM no sistema que emprega pastilhas termoelétricas para
controle do consumo energético;
Controlar e monitorar a temperatura do ponto de orvalho na face fria da
pastilha termoelétrica através de microcontrolador;
Análise completa da potabilidade da água nos sistemas propostos – Peltier e
ICE MAKER empregando filtros e UV;
Analisar a inclinação adequada do refletor parabolóide do ICE MAKER;
Automatizar a inclinação do refletor parabolóide conforme a posição solar
propondo mais de um ciclo durante o dia.
Emprego de painéis fotovoltaicos nos sistemas desumidificadores propostos;
66
7 REFERÊNCIAS
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69
ANEXO A – Projeto do sistema empregando pastilha termoelétrica de efeito Peltier.
70
ANEXO B – Esboços iniciais do Sistema ICE MAKER
71
72
ANEXO C – Projeto do sistema empregando NH3 e CaCl2 – ICE MAKER