Desempenho térmico de sprays multijato aplicados a chuveiros

Abstract

Uma das componentes mais relevantes no consumo doméstico de água é o volume gasto durante um duche. Porém, enquanto diversas estratégias têm sido desenvolvidas para restringir o caudal de água consumido, muito pouco tem sido feito quanto à evolução tecnológica das cabeças de chuveiro. É nesse contexto que se insere a presente dissertação onde, em vez de um modelo convencional baseado em jatos, se explora uma estratégia com base na atomização de líquidos, focando-se, nomeadamente, num dos fatores essenciais na caracterização de uma boa experiência de duche: o conforto térmico.

Assim, neste estudo, é quantificada a transferência de calor de um spray de gotas ao longo da sua trajetória, aferindo o seu desempenho térmico, de modo a verificar se este representa uma boa alternativa à estratégia usada em chuveiros convencionais, quer em termos de gradiente térmico, quer em termos da energia gasta para o aquecimento de água. Para isso, construiu-se uma instalação experi- mental que permite medir a temperatura da água em diversas distâncias a partir do atomizador entre 0.03m e 0.63m. A gama de temperaturas à saída do atomi- zador estudadas está entre os 40 o C e os 60 o C e o caudal volumétrico foi fixado em 3.9l/min. As experiências realizadas permitiram analisar o efeito da temperatura inicial, à saída do atomizador no gradiente térmico, e a distribuição de tempera- tura num perfil radial, bem como comparar o consumo de energia associado com outros sistemas convencionais.

Os resultados obtidos durante as experiências permitem concluir que uma ca- beça de chuveiro que atomiza água (por via de uma atomização multijato) deve estar, preferencialmente, a uma distância de 0.33m do corpo, visto que nesse plano se atinge o conforto térmico e a partir desse valor a transferência de calor esta- biliza. Por outro lado, o sistema de aquecimento deverá fornecer água a uma temperatura de, aproximadamente, 48 o C, pois a distribuição da temperatura da água é mais uniforme e, à distância de 0.33m, a água aproxima-se da temperatura de conforto térmico de 41 o C, reportada na literatura. A análise do consumo de energia associado à transferência de calor num chuveiro constituído por um spray multijato indica que, embora utilize o mesmo caudal volúmico que o sistema con- vencional mais económico, o gasto de energia é menor. Por outro lado, embora o gradiente térmico seja mais acentuado do que num sistema convencional baseado em jatos de água, tal não afeta o desempenho térmico do sistema baseado numa atomização de líquidos.

One of the most relevant components of domestic water consumption is the volume spent during a shower. However, while several strategies have been deve- loped in order to restrict the water flow rate consumed, very little has been made on the technological evolution of showerheads. It is within the referred context that this dissertation is developed. Instead of a conventional strategy based on jets, one based on liquid atomization is explored by focusing on one of the essential factors for the characterisation of a good shower experience: the thermal comfort.

In this study, the heat transfer of a spray, in its dispersion pattern, is quantified, in order to assess its thermal performance and verify if this represents or not an alternative to the conventional strategy used in showers. Namely, the analysis focus on the thermal gradient, and the implication of reducing the water flow rate in the energy used for water heating. Thus, an experimental facility has been built to measure the water temperature at several distances from the atomizer (0.03 − 0.63m) considering as well a range of water temperatures considered at the showerhead exit is between 40 o C and 60 o C, and the water flow rate is fixed at 3.9l/min. The experiments performed allowed analysing the effect of the water exit temperature on the thermal gradient, temperature distribution within a radial profile, as well as compare the energy consumption with other more conventional systems.

The results gathered from the experiments allow concluding that a water ato- mizing showerhead (through a multijet atomization) should impinge on the body at an average distance of 0.33m to provide a good thermal comfort, since heat transfer stabilises below that plane. On the other hand, the heating system should supply water at, approximately, 48 o C, given the more uniform temperature distri- bution and, at the distance of 0.33m, water approaches the temperature of thermal comfort reportedly known from the literature as being 41 o C.

Moreover, the analysis on the energy consumption associated with heating water in a shower made of a multijet spray indicates that, while using the same flow rate as the most economic conventional system, the energy consumed is lower. However, while the thermal gradient is expected to be larger than other systems based on water jets, this should not affect the thermal performance of a shower based on liquid atomization.