Artigo Final Gustavo Evandro

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TCC-2010 Trabalho de Concluso de Curso - Dezembro de 2011; Coordenadores: Prof. Dr. Lucas Moscato e Prof. Dr. Edson Gomes; Escola Politcnica da Universidade de So Paulo; Depto. Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos; Disciplinas: PMR2500 e PMR2550 Av. Prof. Mello Moraes 2231 CEP 05508-900 So Paulo SP Visite o site : www.poli.usp.br/pmr graduacao Trabalhos de Formatura

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Trabalhos de Concluso de Curso Dezembro de 2011, So Paulo-SP, Brasil

CONTROLE DE TEMPERATURA DE UM CHUVEIRO COM AQUECIMENTO SOLAR E ELTRICO

AUTOR 1- Gustavo M. C. Coelho [email protected]

AUTOR 2- Evandro R. Brisson [email protected]

Orientador: Prof. Dr. Ettore Apolonio de Barros [email protected]

Resumo Em um sistema de aquecimento de gua para chuveiros com painel solar, freqentemente necessrio esperar um longo perodo at que a gua fria do encanamento d lugar gua quente do boiler, e como em muitos casos a gua acaba se tornando muito quente, h ainda a necessidade de controlar a vazo de gua fria de forma a garantir uma temperatura constante e confortvel durante o banho. O objetivo do presente trabalho implementar um controle de temperatura em malha fechada para chuveiros eltricos em residncias que utilizam painel solar. Em momentos que a temperatura determinada pelo usurio for maior do que a temperatura da sada de gua quente naquele instante (como no comeo de um banho), o sistema deve aquecer a gua atravs de uma potncia eltrica. J quando a temperatura requerida for menor do que a temperatura de sada de gua quente, o sistema deve compensar com a injeo de gua fria. Assim, o sistema conciliar eficincia e comodidade ao banho. Palavras chave: Controle de temperatura; chuveiro eltrico; aquecimento solar; aquecimento a gs; chuveiro hbrido.

1. Introduo Com a crescente demanda por energia eltrica e gua potvel, se torna cada vez mais necessrio um estudo sobre as alternativas para o melhor aproveitamento dos

recursos disponveis na natureza. Um setor que ainda carece de grande evoluo tecnolgica nesse sentido o setor dos chuveiros domsticos. Existem alguns sistemas de aquecimento de gua para chuveiros domsticos no mercado atual. Os mais usuais so os chuveiros aquecidos por energia eltrica dissipada por uma resistncia, os chuveiros aquecidos por queima de gs e os aquecidos por placas de captao de energia solar (ref. 1). Este trabalho tratar da implementao de um chuveiro que deve unir as vantagens de dois desses sistemas: eltrico e solar. Alm da eficincia energtica, o sistema proposto deve representar, por conseqncia, uma grande evoluo no conforto em um banho. Isso porque as caractersticas de controle de malha fechada devem dispensar a atuao direta do usurio, fazendo com que o controle deixe de depender da intuio do usurio para tomar como referencia sinais de sensores e modelos tericos, representando assim, o provvel futuro do aquecimento de chuveiros residenciais.

2. Modelagem do problema Como se pretende controlar a temperatura da gua atravs de dois parmetros (potncia eltrica e vazo de gua quente e fria), elaborou-se dois modelos. O primeiro, chamado de planta eltrica, relaciona o comportamento da temperatura no regime transitrio da gua com uma determinada vazo e submetida a uma potncia eltrica dissipada atravs de uma resistncia. Atravs do estudo do comportamento da gua nessas

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condies (ref. 4), chegou-se na seguinte funo de transferncia:

Onde o calor especfico da gua, a massa de gua no chuveiro e a vazo mssica da gua. Como visto, o sistema se mostrou ser de primeira ordem. Submetendo esta funo a uma potncia eltrica de 5500W, obtm-se o seguinte resultado:

Figura 1 - Perfil da temperatura em regime transiente da gua de um chuveiro submetido a uma potncia eltrica

de 5500W.

O segundo, chamado de planta de vazo, trata do comportamento da temperatura da gua submetida a uma mistura, de propores conhecidas, de vazes de gua quente e fria. Para este caso, foi considerado razovel para a aplicao ignorar o regime transitrio, sendo a temperatura de sada uma mdia da temperatura da gua quente e fria, ponderada por suas respectivas vazes, como mostra a eq. (2) (ref. 3):

Onde e so as vazes mssicas da gua quente e fria respectivamente, e e as temperaturas da gua quente e fria respectivamente. Ambos os modelos foram validados empiricamente e provaram ser, alm de matematicamente simples, compatveis com a realidade, requisito bsico para que o controle pudesse ser devidamente implementado.

3. Controle O controle foi feito com base nos modelos validados anteriormente, realimentando o sistema com informaes enviadas pelos sensores, fechando assim a malha. Para a planta de vazo, o mtodo de controle escolhido foi o PI (proporcional integral) (ref. 2), pela sua relativa simplicidade, compatvel com o modelo, e

pelo fato de eliminar o regime transitrio, eliminando assim eventuais erros na modelagem do sistema. Aps alguns estudos (ref. 4), obteve-se o controle da planta eltrica dependente do valor da constante de tempo T. A figura 2 representa a implementao do controle em software de simulao numrica para um acrscimo de 10C na temperatura de sada da gua:

Figura 2 - Resultado do controle da planta eltrica para uma variao de 10C.

Para a planta de vazo, devido simplicidade da planta, foi usado como forma de controle apenas um integrador com o intuito de eliminar o erro em regime permanente. O resultado mostrado pela figura 3:

Figura 3 - Resultado do controle da planta de vazo para uma variao de 10C.

Aps a determinao dos controles, foi realizada a discretizao dos mesmos, sendo assim determinadas suas equaes de diferenas para a implementao do controle no microcontrolador.

4. Implementao

Aps o projeto do controle do sistema, foi montado um prottipo no laboratrio de mquinas hidrulicas no prdio da mecnica da Escola politcnica da USP. A figura 4 mostra o prottipo j instalado.

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Figura 4 Prottipo implementado.

Com o prottipo instalado, o controle foi implementado e obteve-se os seguinte resultados: (ref. 5)

Figura 5 Resultado da implementao do controle no prottipo.

Para estes testes, no foi implementado o controle de potncia eltrica. Porm, como se pode observar, o sistema cumpre os requisitos e garante ao usurio a temperatura que deseja para o banho apenas com o controle de vazo de gua quente e fria.

5. Concluses Aps os estudos realizados e aps o trmino do projeto, pode-se tirar algumas concluses sobre o assunto. A primeira delas que o projeto confirmou ser desafiador e de alta complexidade, envolvendo vrios aspectos da engenharia mecatrnica, como modelagem de sistemas dinmicos, controle, eletrnica digital e analgica, entre outros.

O estudo do controle da potncia eltrica se mostrou confivel, j que o modelo da planta se assemelha bastante com a realidade e a teoria de controle usada faz com que a temperatura desejada seja alcanada da forma mais rpida possvel. Em relao ao controle de vazo, apesar de possuir limitaes na modelagem da planta, mostrou que o valor no regime permanente alcanado, atingindo assim o requisito proposto para o projeto. Alm disso, o projeto mostrou a sua viabilidade econmica, mostrando que componentes baratos podem ser usados para cumprir todos os requisitos do sistema. Por fim, apesar das dificuldades demonstradas, possvel afirmar que o projeto se mostrou vivel.

Referncias Bibliograficas [1] ASSOCIAO BRASILEIRA DA INDUSTRIA ELETRICA E ELETRNICA. Disponvel em: . Acesso em 12/03/2011. [2] ASTROM, K; Tore Hagglund. PID controllers: theory, desing, and tuning. 2nd ed. Research Triangle Park: [s.n.], 1995 [3] YARA, Henrique Eityo. Projeto de um sistema de controle de temperatura para chuveiros aquecidos por queima de gs. So Paulo: Escola Politcnica da USP, 2010. 72p. [4] OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 4.ed. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. 787p. [5] COELHO, Gustavo Martins Campos; BRISSON, Evandro Rezende. Controle de temperatura de um chuveiro com aquecimento solar e eltrico. So Paulo: Escola Politcnica da USP, 2011. 74p.

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TEMPERATURE CONTROL OF A SHOWER WITH SOLAR AND ELECTRIC HEATING

AUTOR 1- Gustavo M. C. Coelho [email protected]

AUTOR 2- Evandro R. Brisson [email protected]

Orientador: Prof. Dr. Ettore Apolonio de Barros [email protected]

ABSTRACT On a system of water heating for showers with solar panel, it is often necessary to wait a long time until the cold waterpipeline gives rise to the hot water boiler, and as in manycases the water eventually becomes too hot, there is still the necessity of controlling the flow of cold water to ensure aconstant and comfortable temperature throughout the bath. The goal of this work is to implement a temperature control in closed loop for electric showers in homes that use solar panel. During times that the temperature determined by the user is higher than the temperature of the hot water outlet at the moment (as in the beginning a shower), the system mustheat the water with an electric power. But when the required temperature is lower than the outlet temperature of hot water, the system must compensate with the injection of cold water.Thus, the system reconcile efficiency and convenience to the bath.

KEYWORDS: TEMPERATURE CONTROL, ELETRIC SHOWER, SOLAR HEATING, GAS HEATING, HYBRID SHOWER.

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