Disserte um projeto de protótipo de aquecedor solar de água com armazenamento térmico (até 100 L) que mantenha…

Questão

Disserte um projeto de protótipo de aquecedor solar de água com armazenamento térmico (até 100 L) que mantenha =50 °C por 12 h em ambiente Ta = 15 °C. Inclua cálculos de perda térmica, seleção de isolamento (k, espessura), uso de PCM e proposta de sensores digitais para monitoramento e controle. Apresente equações usadas.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Proposta: reservatório 100 kg água; partir de 60 °C e manter =50 °C por t=12 h. Modelo: T(t)=Ta+(Ti-Ta)e^(-t·UA/(m·c)). Calcule UA desejado: UA = -(m·c/t)·ln((Tf-Ta)/(Ti-Ta)). Com m=100 kg, c=4,20×10^3 J·kg^-1·K^-1, Ta=15, Ti=60, Tf=50 e t=43 200 s, obtém-se UA˜2,44 W·K^-1. Escolha isolamento k=0,04 W·m^-1·K^-1 e área A˜1,0 m² ? L = k·A/UA ˜0,04/2,44 ˜0,016 m (˜1,6 cm); recomenda-se 3 cm considerando juntas. PCM: selecionar Lf˜200 kJ·kg^-1; energia de tamponamento necessária para reduzir picos ˜mPCM·Lf ˜200·10^3·mPCM. Para 10 kg de PCM obtém-se ˜2,0×10^6 J de suporte térmico. Sensores: termistores DS18B20 em tanque, sensor irradiância, controlador microcontrolado para bomba de circulação e registro em nuvem; usar cálculos digitais em planilha ou software para simular T(t) e otimizar L e massa de PCM. Incluir vedação, minimização de pontes térmicas e uso de camadas reflexivas para reduzir radiação de saída; apresentar testes experimentais registrando T a cada 10 min e comparar com modelo para ajustar projeto.

Explicação

A proposta apresentada aborda de forma sistemática os principais aspectos do projeto de um aquecedor solar de água, incluindo cálculos de perda térmica e seleção de isolamento, o que é essencial para garantir a eficiência do sistema. A inclusão de materiais de mudança de fase (PCM) e sensores digitais para monitoramento e controle demonstra uma abordagem inovadora e prática para otimizar o desempenho térmico e a automação do sistema. Além disso, a consideração de testes experimentais e ajustes com base em dados reais assegura a viabilidade e a precisão do protótipo.

Raio-X da questão

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