Apresentao

3

Apresentao

O presente trabalho pretende mostrar o funcionamento da Hidrosttica e Energia solar como solues dos problema do dirio. Descrevendo os processos necessrios, as tcnicas e os procedimentos.Na Etapa 1 apresentamos: Conceitos fundamentais, definio de fluido e propriedades dos fluidos em equilbrio hidrosttico, funcionamento de um sistema de aquecimento solar, sistema de armazenamento residencial e elementos e funcionalidades do sistema.

Na Etapa 2 apresentamos: Princpios de Pascal e Arquimedes. Presso utilizada para abastecimento do reservatrio, Controle do nvel de agua, materiais utilizados para implementao do sistema solar e adaptao ao sistema de aquecimento solar.

Etapa 1

Conceitos fundamentais, definio de fluido e propriedades dos fluidos.1.1. Fluido em equilbrio hidrosttico e calorimetria A calorimetria a parte da fsica que estuda o calor, as trocas de calor, os calormetros e a propagao do calor. Esta parte da fsica responsvel pelo desenvolvimento de equipamentos de conservao de temperatura, como garrafas trmicas, que mantm os lquidos em temperatura conservada. Tambm devido aos conhecimentos de calorimetria que se explicam os estados fsicos da matria devido temperatura e o conhecimento de fenmenos naturais como o vento e as massas de ar.

Os fludos o ramo que estuda o comportamento fsico dos fluidos e suas propriedades. Os aspectos tericos e prticos dos fluidos so de fundamental importncia para a soluo de diversos problemas encontrados habitualmente na Engenharia, sendo principais aplicaes ao estudo de escoamentos de lquidos e gases, mquinas hidrulica, pneumtica, industrial e sistemas de ventilao e ar condicionado alm de diversas aplicaes na rea de aerodinmica voltada para a indstria aeroespacial.

O estudo dos fluidos dividido basicamente em dois ramos, a esttica dos fluidos e a dinmica dos fluidos.

A esttica dos fluidos trata das propriedades e leis fsicas que regem o comportamento dos fluidos livre da ao de foras externas, ou seja, nesta situao o fluido se encontra em repouso ou ento com deslocamento em velocidade constante.

Dinmica dos fluidos responsvel pelo estudo e comportamento dos fluidos em regime de movimento acelerado no qual se faz presente a ao de foras externas responsveis pelo transporte de massa. Dessa forma, pode-se perceber que o estudo dos fluidos est relacionado a muitos processos industriais presentes na engenharia e sua compreenso representa um dos pontos fundamentais para a soluo de problemas geralmente encontrados nos processos industriais.

Definio de fluido uma substncia que se deforma quando submetida a uma tenso de cisalhamento, no importando o quo pequena possa ser essa tenso. Os fluidos incluem os lquidos, os gases, os plasmas e, de certa maneira, os slidos plsticos. A principal caracterstica dos fluidos est relacionada a propriedade de no resistir a deformao e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, possuem a habilidade de tomar a forma de seus recipientes. Esta propriedade proveniente da sua incapacidade de suportar uma tenso de cisalhamento em equilbrio esttico.

Os fluidos podem ser classificados como: fluido Newtoniano fluido No Newtoniano.

Esta classificao est associada caracterizao da tenso, como linear ou no-linear no que diz respeito dependncia desta tenso com relao deformao e sua derivada.

Diviso dos Fluidos tambm so divididos em lquidos e gases, os lquidos formam uma superfcie livre, isto , quando em repouso apresentam uma superfcie estacionria no determinada pelo recipiente que contm o lquido. Os gases apresentam a propriedade de se expandirem livremente quando no confinados por um recipiente no formando uma superfcie livre. A superfcie livre caracterstica dos lquidos uma propriedade da presena de tenso interna e atrao repulso entre as molculas do fluido, bem como da relao entre as tenses internas do lquido com o fluido ou slido que o limita. Um fluido que apresenta resistncia reduo de volume prprio denominado fluido incompressvel, enquanto o fluido que responde com uma reduo de seu volume prprio ao ser submetido ao de uma fora denominado fluido compressvel.

Equilbrio hidrostticoEquilbrio que se estabelece entre a fora gravdica, que atrai a estrela em direo ao centro, e a fora resultante da diferena de presses entre as camadas exteriores e o interior da estrela, que a "empurra" para fora.

A fora da gravidade deve-se massa da prpria estrela que cria um campo gravdico centrado no seu ncleo que tenta "arrastar" as partculas das camadas externas para o centro. Por outro lado, a fora de presso o resultado, fundamentalmente, da maior temperatura e presso existente do ncleo da estrela, como resultado das reaes nucleares que a ocorrem.

A presso de uma camada tanto maior quanto maior for a densidade e a temperatura dessa camada. a maior presso no interior da estrela que evita o colapso gravitacional da mesma. como se as partculas atradas para o centro de gravidade da estrela fossem empurradas para fora pelas partculas do ncleo, que se encontram numa zona de maior densidade das partculas no mesmo espao e maior temperatura maior agitao. A maturidade da estrela atinge-se quando a contrao gravitacional para e a estrela mantm um raio praticamente constante. Se considerarmos um "anel" esfrico de raio r, cujo centro coincide com o centro de massa da estrela, temos que a fora resultante da diferena entre a presso no interior do anel e a presso no seu exterior iguala a fora de atrao gravitacional sofrida pelo material desse "anel" devido matria existente no interior do anel desde que se considere uma simetria esfrica.

Quando qualquer uma destas duas foras, momentaneamente, se sobrepe outra, logo contrariada por um aumento da fora antagonista. A compresso da gravidade contrariada pelo aumento de presso criada devido ao aumento da temperatura e densidade do ncleo em relao superfcie. Se, por outro lado, a estrela se expandisse ligeiramente, haveria uma diminuio da temperatura que resultaria tambm numa diminuio da presso, o que conduziria a um novo equilbrio de foras.

Figura 1 Fludos.

Fonte: SANTANA, 1999.A matria ordinria apresentada em algum dos trs estados seguintes: slido, lquido o gasoso. Existe um quarto estado da matria denominado plasma que essencialmente um gs ionizado com igual nmero de cargas positivas que negativas.

Um slido cristalino aquele que tem uma estrutura peridica e ordenada, como consequncia, tem uma forma que no varia, salvo pela ao de foras externas. Quando aumentada a temperatura, os slidos se fundem e passam para o estado lquido. As molculas j no permanecem em posies fixas, embora as interaes entre elas seguem sendo suficientemente grande para que o lquido possa mudar de forma sem mudar de volume, adaptando-se ao recipiente que o contm.

No estado gasoso, as molculas esto em continuo movimento e a interao entre elas muito fraca. As interaes tem lugar, quando as molculas chocam entre si. Um gs se adapta ao recipiente que o contm, porm trata de ocupar todo o espao disponvel.

1.2. Funcionamento de um sistema de aquecimento solarPrincpio de funcionamento de um aquecedor solar instalado em termossifo. Termossifo uma tcnica de instalao que permite a circulao natural da gua em aquecimento entre as placas e o boiler A caixa de gua fria abastece o boiler.O boiler abastece as placas com a gua fria as placas absorvem o calor do sol e aquecem a gua retorna ao boiler e armazenada

O boiler trmico e conserva sua temperatura, gua sai quente do boiler para o consumo e tempera gua quente misturando com gua fria aproveita todo conforto e economia. Figura 2 sistema de aquecimento de gua. Fonte: VELPMAIS, 2013.1.3. Sistema de armazenamento residencial preciso construir um sistema para captao, filtragem e armazenamento da gua. A captao feita com a instalao de um conjunto de calhas no telhado, que direcionam a gua para um tanque subterrneo ou cisterna, onde ela ser armazenada. Junto a esse reservatrio, necessrio instalar um filtro para retirada de impurezas, como folhas e outros detritos, e uma bomba, para levar o lquido a uma caixa d'gua elevada separada da caixa de gua potvel. Embora no seja prpria para beber, tomar banho ou cozinhar, a gua de chuva tem mltiplos usos numa residncia.Entre eles, a rega de canteiros e jardins, limpeza de pisos, caladas e playground e lavagem de carros gastos que representam cerca de 50% do consumo de gua nas cidades, alm de descarga de banheiros e lavagem de roupas. Para isso, no entanto, preciso alterar as tubulaes j existentes e construir um sistema paralelo ao da gua potvel.

Figura 3- Armazenamento de gua da chuva.

Fonte: SEMPRESUSTENTVEL, 2012.

Algumas empresas que oferecem sistemas completos de aproveitamento de gua de chuva. Eles podem ser instalados em casas e prdios j construdos ou ainda em obras. Nos edifcios prontos, o reaproveitamento ser para as reas comuns, j que o custo de criar uma rede paralela de gua em cada apartamento torna a empreitada invivel.

1.4. Elementos e funcionalidades do sistemaOs sistemas de aquecimento solar mais utilizado de baixo custo o Circulao em termossifo;

No sistema de termossifo a gua aquecida pelo sol no coletor sobe empurrando a gua mais fria do depsito, forando-a a tomar o seu lugar, descendo, para subir novamente quando, por sua vez for aquecida. O depsito deve ficar acima do coletor, seno d-se o fenmeno inverso quando j no houver sol.

Figura 5- sistema de aquecimento solar.

Fonte :SOLETROL, 2013.Principais elementos de um aquecedor solar so:Placas solar Coletor Solar normalmente instalada nos telhados das casas, as placas solares devem ser posicionadas bem orientadas para o sol, evitando-se reas de sombreamento. Cada placa solar absorve a energia do sol e aquece a gua que circula em seu interior. Modelos e caractersticas das placas solares.Boiler Reservatrio Trmico solar na maioria das instalaes solares o boiler ou armazenador trmico instalado dentro dos telhados, entre a caixa de gua fria e o topo das placas dos coletores solarem. Sua principal funo a de armazenar a gua aquecida pelas placas conservando-a quente at o momento do consumo. Modelos e caractersticas dos reservatrios solarem. Outros tipos de instalao solar.

Caixa da gua Caixa de gua fria normalmente, a mesma caixa de gua abastece os pontos de consumo de gua fria da residncia e o prprio boiler. Geralmente, uma caixa de gua fria comum encontrada em qualquer residncia.

Apoio eltrico sistema composto por um sensor, termostato ou controlador de temperatura e resistncia eltrica. Entra em ao, automaticamente, para aquecer a gua usando a energia eltrica em perodos prolongados de mau tempo.

Abastecimento de gua fria Tubulao que liga a caixa de gua fria ao boiler, abastecendo-o de gua fria.

Abastecimento das placas Tubulao que liga o boiler s placas, abastecendo-as de gua fria.

Retorno das placas Tubulao que leva a gua aquecida nas placas para o boiler.

gua para consumo A gua quente armazenada no boiler sai por aqui para os pontos de consumo.

Suspiro Funciona como suspiro e alivia a presso do boiler no caso de superaquecimento.

O sol Energia solar, natural e limpa que oferece conforto, economia e preserva outros recursos naturais.

Etapa 2

Princpios de Pascal e ArquimedesPrincpio de Pascal atmosfera exerce uma presso sobre todos os corpos nela imersos, incluindo outros fluidos. Ora a presso adicional externa que se exerce sobre um fluido transmitida, sem reduo a todos os pontos desse fluido, o que conhecido por Princpio de Pascal, que foi formulado no sculo XVII. Numa piscina com gua, a presso superfcie a presso atmosfrica, P0. A uma profundidade h a presso , P = P0 + r g h. Se a presso atmosfrica variar epassar a ser P'0, tambm a presso profundidade h varia, passando a ser P' = P'0 + r g h. A variao de presso ocorrida na atmosfera transmitiu-se na mesma exata medida a todos os pontos da gua da piscina. Se se quiser aumentar de DP a presso da corrente sangunea na ponta do dedo do p, esse aumento pode ser realizado em qualquer ponto dos vasos sanguneos. Fica pois claro que uma presso externa aplicada a um fluido encerrado num recipiente transmitida sem diminuio a todos os pontos do fluido e s paredes do recipiente que o contm. O princpio de Pascal tem uma aplicao muito til no elevador hidrulico.

Figura 6-Principio de Pascal.

Fonte: HARTUNG, 2010.Do lado esquerdo aplica-se uma fora de intensidade F sobre um mbolo de rea pequena A. A presso adicional que, por esta via, se exerce no fluido.

Princpio de Arquimedes deve-se tambm a Arquimedes a definio da fora de Empuxo gerada por um corpo imerso em um fludo. A fora de empuxo de um corpo imerso em um fludo igual ao peso do fludo deslocado.

Se o empuxo for maior que a fora peso do corpo, a tendncia do corpo de subir com acelerao. No caso de o peso ser menor que o empuxo, a tendncia de o corpo descer com acelerao. No caso do empuxo ser igual fora peso o corpo ter a tendncia de permanecer parado.

Nota: ao contrrio do que se v em muitos filmes e da crena geral, um submarino ao tentar emergir no solta subitamente toda a gua armazenada em seus tanques de lastro. Isso provocaria uma subida acelerada difcil de ser controlada. A liberao do lastro de seus tanques feita de forma controlada, de modo a manter a fora de empuxo igual fora peso, e com isto conseguir uma subida gradual, com velocidade constante. O controle feito pela hlice de propulso em conjunto com as aletas controladoras de movimento vertical.2.1. Presso utilizada para abastecimento do reservatrio A presso utilizada para que gua alcance um armazenamento chamada de hidrosttica,

Hidrosttica o ramo da Fsica que estuda a fora exercida por e sobre lquidos em repouso. Este nome faz referncia ao primeiro fluido estudado, a gua, por isso que, por razes histricas, mantm-se esse nome. Fluido uma substncia que pode escoar facilmente, no tem forma prpria e tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido ao e pequenas foras. A palavra fludo pode designar tanto lquidos quanto gases.

Ao estudar hidrosttica de suma importncia falar de densidade, presso, Princpio de Pascal, empuxo e o Princpio Fundamental da Hidrosttica.Densidade Densidade ou massa especfica de um corpo a relao entre a massa do m e o volume do mesmo, ou seja:

A densidade informa se a substncia do qual feito um determinado corpo mais ou menos compacta. Os corpos que possuem muita massa em pequeno volume, como o caso do ouro e da platina, apresentam grande densidade. J os corpos que possuem pequena massa em grande volume, como o caso do isopor, apresentam pequena densidade. A unidade de densidade mais usada 1g/cm3. Para a gua temos que a sua densidade igual a 1g/cm3, ou seja, 1cm3 de gua tem massa de 1g. Apesar de esta unidade ser a mais usada, no SI (sistema Internacional de Unidades) a unidade de densidade 1kg/m3.

Presso a relao entre a fora aplicada perpendicularmente sobre um corpo e a sua rea sobre a qual ela atua. Matematicamente, temos:

P= F/A

A unidade de presso no SI o Newton por metro quadrado (N/m2), tambm chamado de pascal (Pa), em homenagem a Blaise Pascal, fsico francs que estudou o funcionamento da prensa hidrulica.

Figura 7 Presso utilizada abastecimento de gua.

Fonte: COUTO, 2004Princpio Fundamental da Hidrosttica tambm chamado de Princpio de Stevin, diz que: A diferena de presso entre dois pontos do mesmo lquido igual ao produto da massa especfica (tambm chamada de densidade) pelo mdulo da acelerao da gravidade local e pela diferena de profundidade entre os pontos considerados. Simbolicamente podemos escrever: Onde d a densidade do lquido, g o mdulo da acelerao da gravidade local e h a diferena entre as profundidades dos pontos no mesmo lquido.

A partir do princpio de Stevin pode-se concluir que: Pontos situados em um mesmo lquido e na mesma horizontal ficam sujeitos a mesma presso.2.2. Controle do nvel de aguaPresso aumenta com o aumento da profundidade; A superfcie livre dos lquidos em equilbrio horizontal.

O sistema de controle de nvel em eletro-boia.

Figura 8 controle do nvel da gua.

Fonte: FAZFACIL, 2012. um instrumento para controle e indicao de nvel em lquidos que, por ao da flutuao assume posies que podem ligar ou desligar um circuito eltrico.

De fcil instalao, pode ser utilizado em poos, tanques, caixas, efluentes industriais e bombas de poro, seja uma residncia, empresa ou qualquer construo civil.

Permitem ao mesmo tempo um controle do nvel de agua no reservatrio alto caixa dgua e do nvel do reservatrio baixo cisterna Comando automtico de bomba.2.3. Materiais utilizados para implementao do sistema solarO aquecimento solar o uso de energia solar para o aquecimento de gua para banho, piscina e processos industriais, interessante ser uma fonte energtica abundante e gratuita.

O aquecimento de gua pela utilizao de coletores solares tem representado, assim como as clulas fotovoltaicas, uma das aplicaes de maior viabilidade de uso, residencial. Estes sistemas com coletores so ainda relativamente caros e por isto inacessveis maior parte da populao. Por exemplo, para uma residncia com quatro pessoas o custo ficava em torno de R$ 3.000,00 em 2007.Os aquecedores solares domsticos, so empregados para produo de energia trmica solar a baixas temperaturas, tm sido objeto de vrias pesquisas e estudos desde a dcada de 1950 Para aquecer gua com energia solar so utilizados os coletores, e os sistemas de aquecimento geralmente possuem mais de um, ligados em paralelo por um armazenador trmico de cobre ou inox e tubos para conduo de calor, geralmente copolmero vinlico. O mais utilizado o de termossifo.Os coletores dividem-se em dois grupos: os planos e os alternativos, onde os planos tem maior utilizao. Em geral so constitudos por tubos absorvedores de cobre e chapa absorvedora de cobre ou alumnio, fechados por uma placa de vidro e isolados termicamente por l de vidro. Normalmente esta grade absorvedora construda com configurao em paralelo.O custo dos coletores equivale metade do custo total de um sistema de aquecimento de gua. O melhor arranjo dos tubos aquele de espaamento zero entre estes.Diversas grandezas podem ser atribudas aos coletores, mas, a mais comum sua capacidade de absoro de calor.

Um coletor solar tem uma cobertura transparente. Normalmente esta rea feita de vidro isolado, com sistema de caixa de ar.

A reflexo e transferncia de energia trmica para o fluido feita atravs de uma placa refletora, constituda por metais como alumnio ou cobre. Em coletores de alto rendimento utilizado dixido de cobre, silcio, dixido de silcio, ao banhado a ouro ou ainda cobre banhado a nquel. Claro que estes materiais so caros e, por isso, menos utilizados.

O fluido utilizado para aquecer a gua da rede normalmente gua misturada com ante congelante, para que nos dias de Inverno esta gua no congele, podendo danificar os sistemas caso isso acontecesse, ou glicol. Tanto a gua como o glicol tm elevada capacidade trmica, sendo por isso as substncias escolhidas nestes sistemas.

A caixa isolada termicamente para minimizar as perdas, e tambm bastante resistente, j que esta que ir proteger o coletor dos agentes externos.

Figura 9 Material usado para sistema de aquecedor solar

Fonte: AGNCIA O GLOBO, 2012.Um sistema bsico de Aquecimento de gua por Energia Solar composto de coletores solares placas e reservatrio trmico Boiler.

2.4. Adaptao ao sistema de aquecimento solarOs sistemas de aquecimento solar de gua no so novidade no Brasil. Esses produtos so comercializados por aqui h mais de 30 anos: timidamente at a dcada de 1990 e com mais fora a partir da crise do apago de energia, em 2001 o principal mercado para esses sistemas tem sido o de residncias unifamiliares, com a venda direta para os consumidores finais. Mas uma srie de projetos de leis que obrigam construtores a instalar esses sistemas nos novos edifcios residenciais promete mudar essa realidade.

Figura 9 Adaptao ao sistema de aquecimento solar

Fonte: techne.pin 1999A circulao da gua tambm pode ser feita atravs de moto bombas em um processo chamado de circulao forada ou bombeado, e so normalmente utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes. Consideraes FinaisDurante a realizao do Trabalho, assumimos o desafio de buscar o envolvimento de profissionais de Energia solar diferentes nveis hierrquicos, porm todos participando direta ou indiretamente nesta pesquisa.

Consideramos, o grande facilitador durante toda pesquisar do trabalho foi a Metodologia do trabalho. Foi bastante eficaz durante todo o processo, e a medida que fomos conhecendo e se familiarizando com a Hidrosttica e energia solar como as ferramenta para nossa vida cotidiana.