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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
JULIO ROCHAEL OLIVERIA E VALDEIR AUGUSTO PIMENTA JUNIOR
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA MINI-ADEGA COM REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA
VITÓRIA 2006
2
JULIO ROCHAEL OLIVERIA E VALDEIR AUGUSTO PIMENTA JUNIOR
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA MINI-ADEGA COM REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO APRESENTADO À UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPIRITO SANTO PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
ORIENTADOR: JUAN SERGIO ROMERO SAENZ CO-ORIENTADOR: HERONILDES DE QUEIROZ OLIVEIRA
VITÓRIA 2006
3
Folha de Aprovação
JULIO ROCHAEL OLIVERIA E VALDEIR AUGUSTO PIMENTA JUNIOR
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA MINI-ADEGA COM REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO APRESENTADO À UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPIRITO SANTO PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
A Banca Examinadora composta pelos professores abaixo, sob a presidência do primeiro, submeteu o candidato à análise da Monografia em nível de
Graduação e a julgou nos seguintes termos:
MENÇÃO GERAL:
_________________________________________________________
Coordenador do Curso:
Prof. Dr.
4
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus, pois foi quem possibilitou nossa jornada
durante todos os momentos tempestuosos nos confortando e nos dando força.
Agradecemos também às nossas famílias, pelo apoio e incentivo em todos os
momentos desse longo caminho.
“...posso todas as coisas naquele que me fortalece” - Filipenses 4.13
Agradecemos ao nosso orientador Juan Sergio Romero Saenz por ter
acreditado e nos orientado em nosso projeto.
Agradecemos ao nosso co-orientador Heronildes de Queiroz Oliveira por ter
sido nosso mentor no projeto e não ter medido esforços na busca do melhor
resultado.
Agradecemos à AUTOMÁTICA, em especial ao Sr. Antônio Bento Filho pelo
fornecimento de maquinário para fabricação de componentes.
5
RESUMO
O objetivo deste trabalho é projetar e construir uma mini-adega climatizada por
sistema de refrigeração termoelétrico.
Strazza e Riberi [1] fornecem informações a respeito de vinhos, bem como a
viabilidade econômica para mini-adegas de vinhos.
Um programa de computador [2] foi usado para realizar uma verificação do
sistema, como o objetivo de conseguir um dimensionamento ótimo de um
sistema que consiste da mini-adega, refrigerador termoelétrico e fonte de
corrente contínua. O método utilizado para otimizar os custos foi o mesmo
apresentado no trabalho [3].
O projeto do protótipo da mini-adega foi realizado através de sistema CAD,
com o objetivo de gerar os desenhos de construção.
Os componentes e os materiais necessários à construção da mini-adega foram
obtidos no mercado nacional. O refrigerador termoelétrico utilizado foi de
origem nacional, equivalente ao especificado da marca Melcor, devido à
dificuldade de importação. Os demais materiais foram obtidos no mercado
capixaba exceto a fonte AC/DC, que foi comprada em São Paulo. Os perfis do
tipo U foram fabricados na AUTOMÁTICA, empresa localizada em Vitória/ES e
especializada na fabricação de componentes mecânicos e estruturais.
A construção do protótipo foi realizada com a utilização de ferramentas
manuais.
O protótipo foi testado utilizando um termômetro digital [4], para validação das
simulações e verificação dos parâmetros de projeto.
Não foi possível a utilização da fonte de corrente contínua por painel
fotovoltaico devido ao alto custo deste elemento e a falta de recursos para a
obtenção do mesmo.
6
ABSTRACT
The goal of this work is to design and build a mini-wine cellar powered by a
thermoelectric system of cooling.
Strazza and Riberi [1] give information regarding wines, as well as the
economical viability for mini-wine cellars of wines.
A computer program [2] was used to do a system simulation to arrive at an
optimum design for a system consisting of a mini-wine cellar, thermo electrical
refrigerator and a DC source. The method used to optimize was the same of
that presented in the work [3].
The prototype’s design of the mini-wine cellar was accomplished through CAD
system (SolidWorks), in order to create the construction drawings.
All components and materials needed to the construction of the mini-wine cellar
were purchased in the national market. The installed thermoelectric refrigerator,
which has the same features of Melcor’s, was purchased in Brazil, because it is
difficult to import it. The other materials were obtained in Vitória but the AC/DC
source was purchased in São Paulo, and U type profiles were manufactured in
the AUTOMÁTICA because it is difficult to obtain it locally.
The prototype was built using hand tools and our skills in handcrafting.
The prototype was tested using a digital thermometer [4], in order to validate
simulations and check all the design parameters.
It was not possible the use of the photovoltaic panel for the source of direct
current due to the high cost of that element and the lack of resources to obtain
it.
7
LISTA DE FIGURAS E FOTOS
Figura 1 - Pastilha Termoelétrica .............................................................................. 14
Figura 2 - Esquema representativo da idéia básica. .............................................. 14
Figura 3 - Estrutura Metálica Principal e da Porta .................................................. 49
Figura 4 - Placas de Acabamento Interno. .............................................................. 49
Figura 5 - Isolamento Térmico. .................................................................................. 50
Figura 6 - Acabamentos Externos. ........................................................................... 50
Figura 7 - Suporte das Bandejas. ............................................................................. 51
Figura 8 - Instalação do Refrigerador Termoelétrico. ............................................ 51
Figura 9 – Bandejas. ................................................................................................... 52
Figura 10 - Rodízios e Puxador. ................................................................................ 52
Figura 11 - Fonte Elétrica Chaveada. ....................................................................... 53
Figura 12 – Garrafas. .................................................................................................. 53
1 - Estrutura Metálica e Acabamento Interno. ......................................................... 54
2 – Isolamento Térmico. ............................................................................................. 54
3 – Acabamento Traseiro e Local de Instalação do Refrigerador. ...................... 55
4 – Visualização da parte interna. ............................................................................. 55
5 – Acabamentos Internos da Porta (esquerda) e do fundo (direita). ................. 56
6 – Acabamentos Externos da Porta (esquerda) e do fundo (direita). ................ 56
7 – Refrigerador Termoelétrico. ................................................................................. 57
8 – Refrigerador Termoelétrico. ................................................................................. 57
9 – Fonte Elétrica Chaveada. .................................................................................... 58
10 – Fonte Elétrica Chaveada. .................................................................................. 58
11 – Adega Completa. ................................................................................................ 59
12 – Adega Completa. ................................................................................................ 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Módulos Termoelétricos .......................................................................... 31
Tabela 2 - Módulos Termoelétricos .......................................................................... 32
Tabela 3 - Módulos Termoelétricos .......................................................................... 33
Tabela 4 - Trocadores de Calor ................................................................................. 34
Tabela 5 - Ventiladores ............................................................................................... 35
Tabela 6 - Painéis Fotovoltaicos ............................................................................... 36
Tabela 7 - Controladores de Carga .......................................................................... 37
Tabela 8 - Baterias ........................................................ Erro! Indicador não definido.
Tabela 9 - Resultado da Simulação Baixo Custo - MELCOR .............................. 48
Tabela 10 - Resultado da Simulação Alta Eficiência - MELCOR.. Erro! Indicador
não definido.
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Custos para Baixo Custo ........................................................................ 47
Gráfico 2 - Custos para Alta Eficiência ....................... Erro! Indicador não definido.
8
RESUMO ......................................................................................................................... 5
ABSTRACT ..................................................................................................................... 6
LISTA DE FIGURAS E FOTOS ..................................................................................... 7
LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... 7
LISTA DE GRÁFICOS .................................................................................................... 7
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 10
1 Objetivo do Projeto ................................................................................................. 12
2 Justificativa do Projeto ........................................................................................... 12
3 Metodologia Utilizada ............................................................................................ 13
4 Projeto ..................................................................................................................... 13
Descrição do Sistema .................................................................................................. 13
Simulação do Sistema ................................................................................................. 15
Dimensionamento do Sistema .................................................................................... 23
Desenhos de Construção ............................................................................................. 24
Imagens de Construção ............................................................................................... 24
5 Construção .............................................................................................................. 24
Aquisição de Materiais e Componentes ..................................................................... 24
Procedimentos de Fabricação ..................................................................................... 24
6 Avaliação ................................................................................................................ 25
Verificação Mecânica do Sistema .............................................................................. 25
Verificação Elétrica do Sistema ................................................................................. 25
Verificação Térmica do Sistema ................................................................................. 25
Verificação Econômica do Sistema ............................................................................ 25
Verificação de Uso do Sistema ................................................................................... 26
7 Conclusões e Recomendações ................................................................................ 26
9
8 Referências: ............................................................................................................ 28
9 ANEXOS ................................................................................................................ 29
ANEXO A - CONJUNTO DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA .................. 29
Continuação ANEXO A ......................................................................................... 30
ANEXO B – TABELA DOS MÓDULOS TERMOELÉTRICOS ............................ 31
Continuação ANEXO B ......................................................................................... 32
Continuação ANEXO B ......................................................................................... 33
ANEXO C – DADOS DOS TROCADORES DE CALOR ....................................... 34
ANEXO D – DADOS DOS VENTILADORES ........................................................ 35
ANEXO E – TABELA DOS PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS ................. 36
ANEXO F – INFORMAÇÕES DOS CONTROLADORES DE CARGA ................ 37
ANEXO G – DADOS DAS BATERIAS ................................................................... 38
ANEXO H – RESULTADOS PARA BAIXO CUSTO ............................................. 39
ANEXO I – GRÁFICO DE CUSTO PARA BAIXO CUSTO .................................. 42
ANEXO J – RESULTADOS OBTIDOS PELO PROGRAMA DA MELCOR PARA
BAIXO CUSTO ......................................................................................................... 43
ANEXO K – RESULTADO PARA ALTA EFICIÊNCIA ........................................ 44
ANEXO L – GRÁFICO DE CUSTO PARA ALTA EFICIÊNCIA ........................ 477
ANEXO M – RESULTADOS OBTIDOS PELO PROGRAMA DA MELCOR PARA
ALTA EFICIÊNCIA .................................................................................................. 48
ANEXO N – DESENHOS E FOTOS DE CONSTRUÇÃO ...................................... 49
10
INTRODUÇÃO
A energia tem sido, através da história, a base do desenvolvimento
das civilizações. Nos dias atuais são cada vez maiores as necessidades
energéticas para a produção de alimentos, bens de consumo, bens de serviço
e de produção, lazer e, finalmente, para promover o desenvolvimento sócio-
econômico e cultural. É assim evidente a importância da energia não só no
contexto das grandes nações industrializadas, mas principalmente naquelas
em via de desenvolvimento, cujas necessidades energéticas são ainda mais
dramáticas e prementes.
As fontes alternativas de energia vêm através dos tempos ganhando
mais adeptos e força no seu desenvolvimento e aplicação, tornando-se uma
alternativa viável para a atual situação em que o mundo se encontra, com as
crises de petróleo, pela dificuldade de construção de centrais hidroelétricas,
termelétricas, carvão mineral, xisto, usinas nucleares e outras formas de
energia suja, como são classificadas, pois a sua produção e/ou utilização gera
uma grande degradação ambiental o qual é incontestável do ponto de vista
social, econômico e humano. Estes acontecimentos têm de certa forma,
fortalecido o movimento em busca de novas fontes alternativas de energia. O
termo fonte alternativa de energia não deriva apenas de uma alternativa
eficiente, ele é sinônimo de uma energia limpa, pura, não poluente, a principio
inesgotável e que pode ser encontrada em qualquer lugar.
A energia solar é uma das mais promissoras fontes de energia
renovável. Constitui-se em um processo de geração de energia limpa, segura,
silenciosa, que não utiliza peças móveis e tem seu custo operacional
extremamente baixo, além de ser uma fonte inesgotável. No Brasil, a
quantidade de sol abundante durante quase todo o ano estimula o uso deste
recurso.
A energia solar fotovoltaica, como o próprio nome já diz, aproveita a
luz do Sol (foto) para produzir corrente elétrica (voltaico). As primeiras células
ou placas fotovoltaicas da História eram constituídas de lâminas de vidro muito
11
finas, com cristais de silício em seu interior. Ao atingir a placa fotovoltaica, a luz
do Sol ativava os átomos do silício, provocando a troca de elétrons entre eles.
Pequenos fios metálicos, dispostos no meio desses cristais, serviam de rota de
fuga para os elétrons soltos, o que gerava uma corrente elétrica. Hoje, é claro,
a tecnologia avançou muito, mas o princípio é o mesmo. A principal vantagem
dos painéis fotovoltaicos é a ausência de poluição.
Portanto, é razoável o desejo de aplicação e utilização da fonte de
energia alternativa por painel fotovoltaico. Uma possibilidade de aplicação
dessa alternativa é a alimentação de um sistema de refrigeração termoelétrico
para climatização de mini-câmaras.
Aliando o aumentando consideravelmente do consumo de vinho no
Brasil nas ultimas décadas, que esta se mostrando um mercado atraente e
promissor, à possibilidade de utilização de painel fotovoltaico como fonte
alternativa, torna-se aplicável à utilização de um sistema para refrigeração para
climatização de uma mini-adega.
Sendo o vinho um produto que requer uma série de cuidados em
seu armazenamento para a preservação de sua integridade exige assim um
ambiente controlado. Neste contexto, surge um nicho de mercado atraente,
para a qual as adegas disponíveis são inacessíveis financeiramente, além de
possuírem uma capacidade de armazenamento exagerada para a demanda
residencial.
12
1 Objetivo do Projeto
Esse trabalho tem por objetivo o projeto e a construção de uma mini-
adega climatizada com refrigerador termoelétrico e alimentação elétrica por
um painel fotovoltaico. Entretanto, devido escassez de recursos não foi
possível a instalação do painel na mini-adega construída. Foi utilizada em
seu lugar uma fonte chaveada.
2 Justificativa do Projeto
O projeto baseia-se na premissa de aliar um sistema de refrigeração
dependente apenas de energia alternativa renovável (solar fotovoltaica)
com baixo custo, baseado nos fatos recentes a respeito do problema
energético mundial, bem como em pesquisas de mercado que apontam de
forma positiva para fabricação de tal produto.
O sistema utilizado para manter as condições internas da micro-
adega é o da refrigeração termoelétrica alimentado por painéis
fotovoltaicos. De acordo com [1], estes sistemas possuem várias
vantagens, sendo a principal delas o custo operacional praticamente nulo.
Isso é atrativo, já que o custo da energia vem se elevando
sistematicamente e as previsões dos estudiosos são pessimistas.
O presente trabalho é uma extensão daquele apresentado em [1],
incluindo agora, baterias elétricas de acumulação, um controlador de carga
e um termostato para que o sistema opere continuamente mesmo em dias
sem radiação solar e mantenha as condições internas da micro-adega.
Um trabalho [2] sobre projeto de micro-adega foi desenvolvido como
projeto de graduação na Escola Politécnica da USP. Este trabalho abordou
a viabilidade técnica e econômica da micro-adega utilizando três tipos
diferentes de sistemas de refrigeração e concluiu que o mais viável era o
da refrigeração termoelétrica. Entretanto, neste estudo a energia utilizada
foi a energia elétrica convencional através de um conversor AC/DC e o
sistema não foi otimizado como um todo.
13
No presente trabalho como se pretende otimizar o sistema (micro-
adega, painéis fotovoltaicos, baterias e controlador de carga) como um
todo, a metodologia a ser empregada deverá ser a mesma utilizada em [1],
ou seja, o da simulação do sistema em microcomputador.
3 Metodologia Utilizada
A metodologia de otimização empregada foi o método da procura
(search method), de acordo com [3], auxiliada por simulação em
microcomputador.
4 Projeto
Descrição do Sistema
➢ Uma caixa formada por:
• Painéis de isolamento térmico;
• Estrutura metálica de sustentação;
• Chaparia externa para resistência mecânica e estética;
• Uma porta frontal auxiliada para movimentação por dobradiças e
um fecho comum para fechamento.
➢ Um painel fotovoltaico separado da câmara.
➢ Um sistema de refrigeração termoelétrico composto por:
• Módulo termoelétrico;
Refrigeradores termoelétricos baseiam-se em Módulos
Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas. Esses
módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas
recheado com pequenos cubos de Bi2Te3 (telureto de bismuto).
Sua operação é baseada no “Efeito Peltier”, descoberto em 1834,
segundo o qual uma diferença de temperatura se estabelece na
interface de dois condutores distintos quando esta é sujeita a
passagem de uma corrente elétrica. Pastilhas termoelétricas são
14
utilizadas em aplicações de pequeno porte como chips
microprocessadores e refrigeradores portáteis.
Figura 1 - Pastilha Termoelétrica
• Dois trocadores de calor tipo placa aletada, instalado a cada face
dos módulos termoelétricos, sendo fixados a parte traseira da
câmara;
➢ Fonte Chaveada, fixada a parte traseira;
➢ Bateria de ciclo profundo separa da câmara;
➢ Controlador de carga separada da câmara;
Figura 2 - Esquema representativo da idéia básica.
15
Simulação do Sistema
➢ Os modelos matemáticos utilizados no programa [4], estão apresentados
abaixo:
1. Carga Térmica da Câmara Frigorífica
ECCR TAUQ
IS
IS
ICI
C
ECO
C
C
k
e
Ah
A
Ah
AU
1
HLWeeAA ISISICC 16.22.1
REE TTT
RQ - Carga térmica da câmara [W]
CU - Coeficiente Global de Transmissão de Calor das Paredes [W/m2 °C]
CA - Área de transmissão de calor das paredes [m2]. [6]
ET - Temperatura externa da câmara [°C]
RT - Temperatura interna da câmara [°C]
ECA - Área externa da câmara [m2]
ICA - Área interna da câmara [m2]
Oh - Coeficiente de convecção externo [W/m2°C]
Ih - Coeficiente de convecção interno [W/m2°C]
ISe - Espessura do isolante [m]
ISk - Condutividade térmica do isolante [W/m°C]
W - Largura interna da câmara [m]
L - Comprimento interno da câmara [m]
H - Altura interna da câmara [m]
16
2. Módulo Termoelétrico
GTkI
GITNQ CC
2
22
TI
GNV
2
IV
QCOP C
CH TTT
1
A
TI L
CU
TI
TZA 1
2HC TTT k
Z
2
CQ - Capacidade de refrigeração do módulo [W]
V - Voltagem aplicada ao módulo [V]
N - Número de termopares do módulo
G - Fator geométrico do termopar [cm-1]
- Coeficiente Seebeck [V/°K]
k - Condutividade térmica do semicondutor [W/cm°K]
- Resistividade elétrica do semicondutor [Ω cm]
CT - Temperatura da face fria do módulo [°K]
HT - Temperatura da face quente do módulo [°K]
I - Corrente elétrica do módulo [A] COP - Coeficiente de performance
LI - Corrente elétrica para COP máximo [A]
UI - Corrente elétrica para Qc máximo [A]
3. Resistência Térmica de Contato
• O modelo foi o da publicação [5].
17
4. Carga Elétrica do Sistema
CEBC
AHSAHS
VR AHAHAHS
SN
VSVDVHVCV
V
DHWWAH
7
SN
RSRDRR
V
DHWAH
7
SN
VHVCRSC
V
WWWI
CAHS - Ampere-hora /dia, do sistema, corrigido.
B - Eficiência da bateria
CE - Eficiência do circuito elétrico
AHS - Ampere-hora /dia, do sistema.
RAH - Ampere-hora /dia, do refrigerador.
VAH - Ampere-hora /dia, dos ventiladores.
VCW - Potência elétrica do ventilador da face fria
VHW - Potência elétrica do ventilador da face quente
RW - Potência elétrica do refrigerador
VDH - Numero de horas de funcionamento/ dia, dos ventiladores.
VSD - Numero de dias de funcionamento/ semana, dos ventiladores.
RDH - Numero de horas de funcionamento/ dia, dos refrigeradores.
RSD - Numero de dias de funcionamento/ semana, dos refrigeradores.
SNV - Voltagem nominal do sistema.
SCI - Corrente de pico.
18
5. Bateria
DB
DACT
P
NAHSAH
DAN - Numero de dias de autonomia.
DBP - Profundidade de descarga da bateria.
6. Painéis Fotovoltaicos
PS
CSP
H
AHSI
SPI - Corrente exigida do sistema de painéis.
PSH - Horas de pico solar/dia.
19
➢ O algoritmo do programa principal refere-se ao procedimento da
utilização do programa REFRITER [4]:
RESISTENCIA TERMICA DE
CONTATO ENTRE OS MODULOS E
OS TROCADORES DE CALOR:
- SUBROTINA RTCONTATO
CARGA TERMICA DA CAMARA :
-SUBROTINA CAMARA
DIMENSIONAMENTO/SELECAO
DOS MODULOS DO REFRIGERADOR
TERMOELETRICO:
-SUBROTINA MODULO
SELECAO DOS VENTILADORES:
-SUBROTINA VENT
2
1
DIMENSIONAMENTO/SELECAO
DOS TROCADORES DE CALOR DO
REFRIGERADOR:
- SUBROTINA TCA
3
NÃO
SIM
NATURAL
FORÇADA
TESTE
DE
CONVER.
TIPO
DE
CONVEC
AE BC
20
CARGA ELETRICA DO SISTEMA
-SUBROTINA CARGAELETRICA
DIMENSIONAMENTO/SELECAO
DA FONTE ACDC
-SUBROTINA FONTEACDC
DIMENSIONAMENTO/SELECAO
DOS PAINEIS FOTOVOLTAICOS:
- SUBROTINA PAINEL
DIMENSIONAMENTO/SELECAO
DO CONTROLADOR DE CARGA:
- SUBROTINA CONTROLCARGA
DIMENSIONAMENTO/SELECAO
DAS BATERIAS:
-SUBROTINA BATERIA
4
3 2
CARACTERISTICAS DO SISTEMA:
-CAMARA FRIGORIFICA
-MODULOS TERMOLETRICOS
-TROCADORES DE CALOR
-VENTILADORES
PV1
PV2
TIPO
DE
CONVEC
NATURAL
FORÇADA
21
CUSTO UNITARIO DO SISTEMA
-SUBROTINA CUSTOUNITARIO
-FONTEACDC -PAINEIS FOTOVOLTAICOS
- CUSTO DA CAMARA
-BATERIAS
- CONTROLADOR DE CARGA
5
4
-CUSTO DOS TROCADORES
DE CALOR
- CUSTO DOS VENTILADORES
- CUSTO DOS MODULOS
TERMOELETRICOS
6
AE BC
PV1
PV2
NATURAL
FORÇADA
AE BC
22
BC – BAIXO CUSTO AE – ALTA EFICIÊNCIA PV1 – SISTEMA FOTOVOLTÁICO SEM BATERIA E SEM CONTROLADOR DE CARGA PV2 – SISTEMA FOTOVOLTÁICO COM BATERIA E COM CONTROLADOR DE CARGA
FINAL DO PROGRAMA
PRINCIPAL
5 6
- CUSTO DAS
FONTES ACDC
- CUSTO DOS PAINEIS
FOTOVOLTAICOS
- CUSTO DAS BATERIAS
- CUSTO DO CONTROLADOR DE
CARGA
- CUSTO DE INSTALACAO
E MONTAGEM
- CUSTO TOTAL
- GRAVACAO DE ARQUIVOS
PV1
PV2
23
➢ Estão apresentados nos ANEXO J e ANEXO M os resultados obtidos
utilizando o programa da MELCOR, AZETEC, para comparação com os
resultados otimizados encontrados no programa [4].
Dimensionamento do Sistema
➢ Os dados de entrada do programa [4], para execução das simulações,
foram obtidos através das tabelas conforme abaixo:
o Módulo Termoelétrico – ANEXO B;
o Trocadores de Calor – ANEXO C;
o Ventiladores – ANEXO D;
o Painéis Fotovoltaicos – ANEXO E;
o Controladores de Carga – ANEXO F;
o Baterias – ANEXO G.
➢ Após a simulação do sistema foram adquiridas as informações
otimizadas para a construção do gráfico de custos representadas:
o Alta Eficiência – ANEXO L;
o Baixo Custo – ANEXO I.
➢ Com a análise dos gráficos foram definidas as melhores configurações
para os dois casos, Alta Eficiência e Baixo Custo, porem como já foi
comentado anteriormente, por motivos de alto custo estaremos
utilizando os resultados de Baixo Custo. Seguem os resultados
adquiridos, após a simulação através do programa [4], dos componentes
e dados operacionais dos sistemas:
o Baixo Custo – ANEXO H;
o Alta Eficiência – ANEXO K.
➢ Com isso foi definido o refrigerador da MELCOR que mais se
aproximava das especificações, de Baixo Custo, para ser adquirido,
conforme ANEXO B.
24
Desenhos de Construção
➢ Todos os desenhos de construção, apresentados no ANEXO N, foram
gerados utilizando software CAD de facilidade operacional, devido sua
praticidade de atualizações necessárias e possibilidade de interface
amigável com outros programas.
Imagens de Construção
➢ Foram registradas as fotografias do processo de construção da mini-
adega a fim de possibilitar, com maiores detalhes, o entendimento passo
a passo da montagem progressiva do protótipo. O relatório fotográfico
da montagem esta exposto no ANEXO N.
5 Construção
Aquisição de Materiais e Componentes
➢ A grande maioria dos materiais e componentes foram facilmente
encontrados. Por outro lado, vale ressaltar a dificuldade em encontrar
alguns deles no mercado capixaba. São eles:
o Perfil U 77x20x2 mm;
o Refrigerador Termoelétrico;
o Fonte Elétrica Chaveada.
Procedimentos de Fabricação
➢ A fabricação da mini-adega foi feita manualmente com o auxílio das
seguintes ferramentas:
• Arco de serra;
• Morça;
• Alicate Universal;
• Alicate Pop;
• Estilete;
25
• Trena;
• Régua escala;
• Lima chata;
• Procedimentos de Montagem
6 Avaliação
Verificação Mecânica do Sistema
➢ Verificou-se a capacidade mecânica da mini-adega através de
movimentações. A mini-adega apresentou boa firmeza estrutural.
➢ Com relação às bandejas, não se verificou deflexão das mesmas;
➢ Ausência de vibração e ruídos praticamente imperceptíveis.
Verificação Elétrica do Sistema
➢ Foram feitas as medições elétricas para verificação dos parâmetros pré-
estabelecidos. Nenhuma anomalia encontrada.
Verificação Térmica do Sistema
➢ Verificação da infiltração: - Apresentou infiltrações consideráveis.
➢ Verificação de formação de condensado: - comprovou-se que há
necessidade de instalação de um sistema de drenagem;
➢ Verificação da temperatura mínima atingida: - não foi obtida a
temperatura de projeto. Atingiu-se um diferencial de temperatura,
externo/interno de 7°C;
➢ Verificação do desempenho do sistema: - devido a não inclusão do
certificado de performance do refrigerador MAA070T-12 pelo fornecedor,
não foi possível a confirmação do desempenho do mesmo.
Verificação Econômica do Sistema
➢ Após a listagem dos valores de todos os componentes da mini-adega,
custo de instalação e o custo operacional / manutenção do sistema, foi
obtido o resultado do valor teórico do sistema.
26
Verificação de Uso do Sistema
➢ Porta movimenta-se sem impedimentos;
➢ Garrafas foram colocadas e retiradas, para verificação da praticidade da
mini-adega;
➢ Facilidade da acomodação das garrafas;
➢ Facilidade de limpeza interna;
➢ Facilidade de colocação e retirada das bandejas.
7 Conclusões e Recomendações
Conclusões
1. Dificuldade de realizar um projeto somente com recursos próprios, sem
um patrocinador;
2. Os resultados do projeto são inicialmente muitos diferentes do projetado;
3. O projeto requer uma série de ajustes para a melhoria dos resultados;
4. Este projeto exigiu conhecimento de várias áreas da engenharia;
5. Dificuldades de obtenção de dados técnicos e de custos de vários
fabricantes, para a realização das simulações;
6. As ferramentas computacionais foram bastante úteis no
desenvolvimento do projeto, embora requeiram um tempo considerável
para seu correto uso;
7. Foi satisfatória a utilização das práticas manuais que foram exigidas
para a construção desse projeto;
8. Possibilitou uma visão dos processos necessários para uma fabricação.
27
Recomendações
• Para Projetos:
➢ Efetuar o cálculo estrutural para definição mais adequada das
dimensões geométricas.
➢ Efetuar melhorias nas equações de custo dos componentes;
➢ Obter dados de uma gama maior de fabricantes;
➢ Estudo do método de fabricação para redução de custos;
➢ Incluir simulação dos painéis fotovoltaicos, baterias e controladores
de carga;
➢ Verificar a possibilidade de uso de outros materiais para redução de
custo e durabilidade.
➢ Estudo de um sistema de controle adequado para refrigeração
termoelétrica;
➢ Construir a câmara de modo a minimizar ou eliminar a infiltração de
ar;
➢ Reduzir o número de operações para construir a câmara.
• Para Pesquisa:
➢ Fazer analise de melhora do sistema de isolamento térmico da câmara;
➢ Verificar possibilidade de aplicação outros de métodos de otimização;
➢ Verificar a possibilidade do uso de inteligência artificial no método de
otimização utilizado;
28
8 Referências:
[1] – Oliveira, H.Q., 1998, Mercofrio 98 [2] – Riberi & Strazza, 2004, Escola Politécnica da USP. [3] – Stoecker, W.F., Design of Thermal Systems. Mc Graw Hill, 1989, Third Edition. [4] – Refriter – Fornecido por Heronildes de Queiroz Oliveira. [5] – Song, Lee e Au, “closed- form equation for thermal constriction / spreading resistances with variable resistance boundary condition”. IEPS Conference 1994. [6] – Rohsenow & Hartnett. HandBook of Heat Transfer. McGraw-Hill,1973.
29
9 ANEXOS
ANEXO A - CONJUNTO DE REFRIGERAÇÃO TERMOELÉTRICA
30
Continuação ANEXO A
31
ANEXO B – TABELA DOS MÓDULOS TERMOELÉTRICOS
Tabela 1 - Módulos Termoelétricos
32
Continuação ANEXO B
Tabela 2 - Módulos Termoelétricos
33
Continuação ANEXO B
Tabela 3 - Módulos Termoelétricos
34
ANEXO C – DADOS DOS TROCADORES DE CALOR
Tabela 4 - Trocadores de Calor
35
ANEXO D – DADOS DOS VENTILADORES
Tabela 5 - Ventiladores
36
ANEXO E – TABELA DOS PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS
Tabela 6- Painéis Fotovoltaicos
37
ANEXO F – INFORMAÇÕES DOS CONTROLADORES DE CARGA
Controladores de Carga
| Tristar | Prostar | Sunsaver | Sunlight | Steca |
Modelo Corrente Fabricante Preço (R$) Observações
Tristar TS 45 e TS 60 45 A Morningstar 700,00 Importado
C40 - 12V/24V/48V 40 A Trace 1.050,00 Importado
Módulo CM Medidor, totalizador e mostrador digital para o C40
- Trace 548,00 Acessório do C40
Solsum 8.8 - 12V 8 A Steca GmbH 265,00 Importado
SR 12 A - 12V/24V 12 A Steca GmbH 325,00 Importado
SR 20A - 12V/24V 20 A Steca GmbH 495,00 Importado
SR 30A - 12V/24V 30 A Steca GmbH 545,00 Importado
SunSaver-SS10 - 12V (LVD)
10 A Morningstar 280,00 Importado
Sunlight-SL10 - 12V, com função de foto-célula e temporizador
10 A Morningstar 410,00 Importado
Prostar 15 - 12V/24V 15 A Morningstar 640,00 Importado
ProStar 15 - medidor e mostrador digital
15 A Morningstar consulte Importado
ProStar 30 - 12V/24V, Uma excelente escolha para um sistema solar desassistido. Muito confiável, com recuperação automática, no caso de falhas e fácil de usar
30 A Morningstar 915,00 Importado.
ProStar 30 - medidor e mostrador digital
30 A Morningstar 1.100,00 Importado
Tabela 7 - Controladores de Carga
38
ANEXO G – DADOS DAS BATERIAS
Baterias Moura
a
Modelos Ah Preço (R$)
12MC36 36 190,00
12MC45 45 23800
12MC63 63 346,00
12MC105 105 568,00
12MC150 150 740,00
12MC175 175 845,00
12MC220 220 1.157,00
Tabela 8 - Baterias
39
ANEXO H – RESULTADOS PARA BAIXO CUSTO
1) DADOS DE ENTRADA
a) DADOS DO TIPO DE SISTEMA
i) QUALIDADE DE PERFORMANCE DO SISTEMA SELECIONE (1) ALTA EFICIENCIA(AE) (2) BAIXO CUSTO(BC) (2) BC
ii) TIPO DE FONTE DE CORRENTE CONTINUA
(1) BAIXO CUSTO (a) ACDC = FONTE ACDC
(2) ALTA EFICIENCIA (a) PV1 = OPERACAO INTERMITENTE=PAINEL
FOTOVOLTAICO (b) PV2 = OPERACAO CONTINUA=PAINEL FOTOVOLTAICO
+BATERIAS+CONTROLADOR DE CARGA
(a) ACDC
b) VOLTAGEM NOMINAL DO SISTEMA => 12 V
b) DADOS DA CAMARA i) TEMPERATURA INTERNA E EXTERNA (C) => 15 35 ii) ALTURA(CM) LARGURA(CM) COMPRIMENTO(CM) INTERNOS
=> 40 40 40 iii) CONDUTIVIDADE TERMICA(W/M/C) DO ISOLANTE => 0.0400 iv) ESPESSURA DO ISOLANTE(MM) => 70
d) DADOS DOS TROCADORES DE CALOR
i) RES. TERMICA NOMINAL DA FACE FRIA (C/W) => 0.340 ii) RES. TERMICA NOMINAL DA FACE QUENTE (C/W) => 0.340 iii) EFICIENCIA DAS ALETAS => 0.900 iv) CONVECCAO NA FACE FRIA (NATURAL=N,FORCADA=F) => F v) CONVECCAO NA FACE QUENTE (NATURAL=N,FORCADA=F) =>
F
2) DADOS DE SAIDA
a) CARACTERISTICAS DA CAMARA FRIGORIFICA i) AREA EXT.(M2) => 1.75 ii) U(W/M2/C) => 0.534 iii) CARGA TERM.(W) => 12.25
40
b) CARACTERISTICAS DO SISTEMA DE MODULOS TERMOELETRICOS i) MARCA => MELCOR ii) MODELO => CP1.0-127-06L iii) QUANT. MODULOS => 1 iv) ARRANJO => Série v) FATOR GEOMETRICO (G) => 0.061 vi) NUMERO DE TERMOPARES(N) => 127 vii) CAPACIDADE(W) => 12.1 viii)CALOR REJEITADO(W) => 39.1 ix) COP => 0.447 x) TEMP FACE FRIA(C) => 9.9 xi) TEMP FACE QUENTE(C) => 51.6 xii) VOLTAGEM(V) => 12.0 xiii)CORRENTE(A) => 2.25 xiv) POTENCIA(W) => 27.0
c) CARACTERISTICAS DOS TROCADORES DE CALOR
i) TROCADOR DE CALOR DA FACE FRIA (1) AREA(M2) => 0.09 (2) RES. TER. (C/W) => 0.340 (3) TEMP. SUP.(C) => 10.8 (4) MARCA => MELCOR (5) MODELO => HX8-201 (6) RES. TER. (C/W) => 0.340
ii) TROCADOR DE CALOR DA FACE QUENTE
(1) AREA(M2) => 0.09 (2) RES. TER. (C/W) => 0.340 (3) TEMP. SUP.(C) => 48.1 (4) MARCA => MELCOR (5) MODELO => HX8-201 (6) RES. TER. (C/W) => 0.340
d) CARACTERISTICAS DOS VENTILADORES
i) SUPERFICIE FRIA (1) MARCA => MELCOR (2) MODELO => FAN-201 (3) VAZAO(CFM) => 18.0 (4) POTENCIA(W) => 1.70 (5) VOLTAGEM(V) => 12.0
ii) SUPERFICIE QUENTE
(1) MARCA => MELCOR (2) MODELO => FAN-201 (3) VAZAO(CFM) => 18.0 (4) POTENCIA(W) => 1.70 (5) VOLTAGEM(V) => 12.0
41
e) CARACTERISTICAS DO SISTEMA DE FONTES ACDC i) MARCA => E ii) MODELO => F12-2.6 iii) NUMERO FONTES PARALELO => 1 iv) NUMERO FONTES EM SERIE => 1 v) VOLTAGEM(V) => 12.0 vi) CORRENTE(A) => 2.60 vii) POTENCIA(W) => 31.2
3) CUSTO DA CAMARA FRIGORIFICA (US$):115.15 4) CUSTO DOS MODULOS TERMOELETRICOS (US$): 23.84 5) CUSTO DAS FONTES AC/DC (US$):46.29 6) CUSTO DOS TROCADORES DE CALOR (US$): 24.65 7) CUSTO DOS VENTILADORES (US$): 14.80 8) CUSTO DE INSTALACAO E MONTAGEM (US$): 47.79 9) CUSTO TOTAL DO SISTEMA(US$): 272.52
42
ANEXO I – GRÁFICO DE CUSTO PARA BAIXO CUSTO
20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
50
100
150
200
250
300
350
400
ESPESSURA DO ISOLANTE (MM)
CU
ST
OS
(U
S$
)
CCCC CMTCMTCFCF CTCCTC CVCVCMICMICTCT
Gráfico 1- Custos para Baixo Custo
43
ANEXO J – RESULTADOS OBTIDOS PELO PROGRAMA DA MELCOR PARA BAIXO CUSTO
Tabela 9- Resultado da Simulação Baixo Custo – MELCOR
44
ANEXO K – RESULTADO PARA ALTA EFICIÊNCIA
1) DADOS DE ENTRADA
a) DADOS DO TIPO DE SISTEMA
ii) QUALIDADE DE PERFORMANCE DO SISTEMA SELECIONE: (1) ALTA EFICIENCIA(AE) (2) BAIXO CUSTO(BC)
(2) AE
iii) TIPO DE FONTE DE CORRENTE CONTINUA
(2) BAIXO CUSTO (a) ACDC = FONTE ACDC
(3) ALTA EFICIENCIA (a) PV1 = OPERACAO INTERMITENTE=PAINEL
FOTOVOLTAICO (b) PV2 = OPERACAO CONTINUA=PAINEL
FOTOVOLTAICO+BATERIAS+CONTROLADOR DE CARGA
(b) PV2
b) VOLTAGEM NOMINAL DO SISTEMA => 12 V
c) DADOS DA CAMARA iii) TEMPERATURA INTERNA E EXTERNA (C) => 15 35 iv) ALTURA(CM) LARGURA(CM) COMPRIMENTO(CM) INTERNOS
=> 40 40 40 v) CONDUTIVIDADE TERMICA(W/M/C) DO ISOLANTE => 0.0400 vi) ESPESSURA DO ISOLANTE(MM) => 130.
d) DADOS DO SISTEMA DE PAINEIS FOTOVOLTAICOS
iii) LATITUDE LOCAL(GRAUS) => 20.0 iv) NUMERO DE HORAS DE PICO SOLAR= 5.0
e) DADOS DAS BATERIAS iii) NUMERO DE DIAS DE AUTONOMIA => 2.0
f) DADOS DOS TROCADORES DE CALOR
iii) RES. TERMICA NOMINAL DA FACE FRIA (C/W) => 0.390 iv) RES. TERMICA NOMINAL DA FACE QUENTE (C/W) => 0.340 v) EFICIENCIA DAS ALETAS => 0.900 vi) CONVECCAO NA FACE FRIA (NATURAL=N,FORCADA=F) => F vii) CONVECCAO NA FACE QUENTE (NATURAL=N,FORCADA=F) =>
F
45
2) DADOS DE SAIDA
a) CARACTERISTICAS DA CAMARA FRIGORIFICA iii) AREA EXT.(M2 )=> 2.61 iv) U(W/M2/C) => 0.296 v) CARGA TERM.(W) => 7.81
b) CARACTERISTICAS DO SISTEMA DE PAINEIS FOTOVOLTAICOS
iii) MARCA => SUNLAB iv) MODELO => SM-100 v) NUMERO PAINEIS PARALELO => 1 vi) NUMERO PAINEIS EM SERIE => 1 vii) INCLINACAO => 10.0 viii)VOLTAGEM(V) => 17.0 ix) CORRENTE(A) => 5.90 x) POTENCIA(W) => 100.3
c) CARACTERISTICAS DAS BATERIAS
iii) MARCA => MOURA iv) MODELO => 12MC63 v) NUMERO BATERIAS EM PARALELO => 1 vi) NUMERO BATERIAS EM SERIE => 1 vii) VOLTAGEM(V) => 12.0 viii)AMPERE-HORA(AH) => 63.0
d) CARACTERISTICAS DO CONTROLADOR DE CARGA
iii) MARCA => STECA iv) MODELO => SOLSUM v) CORRENTE(A) => 8.0 vi) VOLTAGEM(V) => 12.0
e) CARACTERISTICAS DO SISTEMA DE MODULOS TERMOELETRICOS
iii) MARCA => MELCOR iv) MODELO => CP0.8-127-06L v) QUANT. MODULOS => 2.0 vi) ARRANJO => SÉRIE vii) FATOR GEOMETRICO (G) => 0.042 viii)NUMERO DE TERMOPARES(N) => 127.0 ix) CAPACIDADE(W) => 7.9 x) CALOR REJEITADO(W) => 16.5 xi) COP => 0.921 xii) TEMP FACE FRIA(C) => 11.4 xiii)TEMP FACE QUENTE(C) => 41.7 xiv) VOLTAGEM(V) => 12.0 xv) CORRENTE(A) => 0.71 xvi) POTENCIA(W) => 8.6
46
f) CARACTERISTICAS DOS TROCADORES DE CALOR
iii) TROCADOR DE CALOR DA FACE FRIA (3) AREA(M2) => 0.08 (4) RES. TER. (C/W) => 0.390 (5) TEMP. SUP.(C) => 12.0 (6) MARCA => MELCOR (7) MODELO => HX6-201 (8) RES. TER. (C/W) => 0.390
iv) TROCADOR DE CALOR DA FACE QUENTE
(3) AREA(M2) => 0.09 (4) RES. TER. (C/W) => 0.340 (5) TEMP. SUP.(C) => 38.6 (6) MARCA => MELCOR (7) MODELO => HX8-201 (8) RES. TER. (C/W) => 0.340
g) CARACTERISTICAS DOS VENTILADORES
iii) SUPERFICIE FRIA (3) MARCA => MELCOR (4) MODELO => FAN-201 (5) VAZAO(CFM) => 18.0 (6) POTENCIA(W) => 1.70 (7) VOLTAGEM(V) => 12.0
iv) SUPERFICIE QUENTE
(3) MARCA => MELCOR (4) MODELO => FAN-201 (5) VAZAO(CFM) => 18.0 (6) POTENCIA(W) => 1.70 (7) VOLTAGEM(V) => 12.0
h) CUSTO DA CAMARA FRIGORIFICA (US$):153.46 i) CUSTO DOS PAINEIS FOTOVOLTAICOS (US$): 828.27 j) CUSTO DAS BATERIAS (US$): 148.91 k) CUSTO DO CONTROLADOR DE CARGA (US$): 119.77 l) CUSTO DOS MODULOS TERMOELETRICOS (US$): 37.86 m) CUSTO DOS TROCADORES DE CALOR (US$): 23.32 n) CUSTO DOS VENTILADORES (US$): 14.80 o) CUSTO DE INSTALACAO E MONTAGEM (US$): 163.03 p) CUSTO TOTAL DO SISTEMA (US$): 1489.42
47
ANEXO L – GRÁFICO DE CUSTO PARA ALTA EFICIÊNCIA
Gráfico 2 - Custos para Alta Eficiência
48
ANEXO M – RESULTADOS OBTIDOS PELO PROGRAMA DA MELCOR PARA ALTA EFICIÊNCIA
Tabela 10 Resultado da Simulação Alta Eficiência - MELCOR
49
ANEXO N – DESENHOS E FOTOS DE CONSTRUÇÃO
Figura 3 - Estrutura Metálica Principal e da Porta
Figura 4 - Placas de Acabamento Interno.
50
Figura 5 - Isolamento Térmico.
Figura 6 - Acabamentos Externos.
51
Figura 7 - Suporte das Bandejas.
Figura 8 - Instalação do Refrigerador Termoelétrico.
52
Figura 9 – Bandejas.
Figura 10 - Rodízios e Puxador.
53
Figura 11 - Fonte Elétrica Chaveada.
Figura 12 – Garrafas.
54
1 - Estrutura Metálica e Acabamento Interno.
2 – Isolamento Térmico.
55
3 – Acabamento Traseiro e Local de Instalação do Refrigerador.
4 – Visualização da parte interna.
56
5 – Acabamentos Internos da Porta (esquerda) e do fundo (direita).
6 – Acabamentos Externos da Porta (esquerda) e do fundo (direita).
57
7 – Refrigerador Termoelétrico.
8 – Refrigerador Termoelétrico.
58
9 – Fonte Elétrica Chaveada.
10 – Fonte Elétrica Chaveada.
59
11 – Adega Completa.
12 – Adega Completa.