Projete e avalie um protótipo de coletor plano para aquecer V = 80 L de água de Ti = 18 °C a Tf = 50 °C em um…

Questão

Projete e avalie um protótipo de coletor plano para aquecer V = 80 L de água de Ti = 18 °C a Tf = 50 °C em um dia com irradiância média G = 600 W·m?² por t = 6 h. Área máxima do coletor A = 2,50 m². Calcule a eficiência mínima ?mín necessária, proponha materiais e intervenções para reduzir perdas e indique que ferramentas digitais usaria para estimar desempenho. Use densidade da água ? = 1000 kg·m?³ e calor específico c = 4,18×10³ J·kg?¹·K?¹.

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

Resposta esperada

Cálculo energético: m = 80 L·(1000 kg·m?³) = 80 kg; ?T = 50-18 = 32 K. Energia necessária Q = m·c·?T = 80·4,18×10³·32 = 1,07008×107 J (˜2,97 kWh? verificar: 1,07008×107 J ˜ 2,97 kWh — corrigir abaixo usando conversão correta). Melhor converter em kWh: Q ˜ 1,07008×107 J / (3,6×106 J·kWh?¹) ˜ 2,97 kWh. (Observação: este valor é apenas para aquecer a água; perdas aumentam a demanda.) Energia solar incidente no coletor: P_inc = G·A = 600·2,50 = 1500 W. Energia incidente em 6 h: E_inc = 1500 W·6 h = 9000 Wh = 9,0 kWh = 3,24×107 J. Eficiência mínima ?mín = Q / E_inc = (1,07008×107 J) / (3,24×107 J) ˜ 0,330 ˜ 33,0%. Recomendações de projeto: usar cobertura de vidro com baixa emissividade e pintura seletiva (alta absorvância a, baixa emissividade e), isolamento térmico do tanque (reduzir transmissão por condução), serpentinas de cobre ou trocador de calor eficiente; reduzir perdas convectivas com bordas vedadas e inserção de espuma isolante (usar U estimado para perdas superficiais e aplicar Q?_loss ˜ U·A_ext·(T_col-T_a)). Intervenções operacionais: orientação para máxima irradiância, ângulo de inclinação adequado, sistema de armazenamento térmico bem isolado. Ferramentas digitais: planilha para balanço energético, software de simulação térmica simples (modelagem por elementos ou código que calcule ganho horário), aquisição de dados com sensores de temperatura e registrador para validar modelos. Discussão sobre variáveis termodinâmicas: eficiência depende de ?T entre coletor e ambiente, irradiância G, perdas por radiação e convecção (funciona como função de T_col e vento) e propriedades materiais (k, a, e). Observação final: considerar margem de projeto (>?mín) para cobrir perdas não ideais; se incluir perdas estimadas de 30–40% por convecção/radiação, exigir ? prática ˜ 45–55% dependendo das medidas adotadas.

Explicação

A resposta apresenta um cálculo detalhado da energia necessária para aquecer a água, considerando a eficiência do coletor e as perdas térmicas. As recomendações de projeto e intervenções operacionais visam otimizar o desempenho do coletor, reduzindo perdas e aumentando a eficiência. O uso de ferramentas digitais para simulação e monitoramento permite validar e ajustar o sistema, garantindo um melhor desempenho na prática.

Raio-X da questão

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