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.