Coletor Solar de Placas Planas
Ranyer Soares de Oliveira R.A. 092768
Mauro Oliveira Borges Júnior R.A. 092381
Cássio Dias Goes R.A. 090730
Transmissão de calor: Condução, convecção e radiação
Parte absorvida, refletida e transferida ao fluido
Custo elevado, porém ganhos ambientais e energéticos.
Uso do Phoenics: Conceitos de Transferência de Calor, Mecânica dos Fluidos e Métodos Numéricos.
Introdução e motivação
Através do Phoenics e simulação numérica construir modelo físico de um coletor solar:
Movimento dos fluidos
Transferência entre trocador e água
Comparação dos resultados da simulação com resultados teóricos.
Objetivos
Cobertura:
Cria efeito estufa – Espessura do vidro de 3 a 4 mm.
Espaço de ar (cavidade):
Evitar condução – Espessura 18 mm.
Placa absorvedora:
Cobre ou alumínio -> Transferir energia para água.
Isolamento:
Evitar troca de calor para o ambiente.
Componentes do sistema
Referência: Coletor CSi2 – SODRAMAR
Geometria
Modelo C L h1 h2 h3
CSi2 330 mm 2000 mm 3 mm 18 mm 1 mm
Modelo Área de captação Vazão ideal por placa Peso coletor vazio Peso coletor cheio Volume interno
CSi2 0.66 m2 0.16 m3/h 1800 g 3900 g 2.1 litros
A partir dos dados do fabricante:
Fluxo mássico -> 𝑚 = 𝑄 ∗ ⍴ = 0,044𝑘𝑔
𝑠
Diâmetro -> 𝜋.𝐷2.𝐿
4= 2,1. 10−3 𝑚3
Velocidade média -> 𝑉𝑚 =4𝑚
𝜋𝐷2𝜌 = 0,04365 m/s
Inclinação -> Cidade de Campinas em relação ao Norte (23°) + 10°
Cálculos
Formas de troca de calor com o meio:
Fenômenos Físicos
Radiação incide no coletor: 1000 W/m²
Radiação incidente na placa de cobre: 920 W/m²
Temperatura ambiente: 25°C
Água entra a 25°C e sai a 28°C
Velocidade do vento: 2 m/s
Condições de contorno
Cavidade interior: Cálculo de Rayleigh (Turbulento se maior que 50000)
Troca de calor coletor/ambiente (encontrar h)
Determinar Nusselt -> 𝐍𝐮𝐋 = 0.664ReL12 Pr
13
Coeficiente de convecção -> 𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐 =𝑁𝑢𝐿𝑘
𝐿
Coeficiente de radiação -> 𝐡𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚çã𝐨 = εσ Tvidroext + Tamb Tvidroext
2 + Tamb2
Coeficiente equivalente -> 𝒉𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒉𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐 + 𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐
Formulação do problema
Troca de calor coletor/água
Calcular Reynolds -> Laminar plenamente desenvolvido
Seção do tubo circular -> 𝒉á𝐠𝐮𝐚 =𝑘𝑁𝑢
𝐷 = 65
𝑊
𝑚2 𝐾
Radiação Placa de cobre/Placa de vidro
Segundo Incropera: 𝑄𝐼𝑟𝑟 =𝐴𝜎 𝑇1
4−𝑇24
1
𝜀1+
1
𝜀2−1
Formulação do problema
Modelagem Phoenics
Força gravitacional: Decomposição em x e y
Iteração Phoenics: 2000
Malha: Equilíbrio de tempo e descrição do problema
Modelagem Phoenics
X Y Z
Domain Size 2.0000 0.0210 0.3300
Number of cells 100 37 1
Power 1 1 1
Propriedades Iteração 1 Iteração 2 Iteração 3
Temperatura externa vidro [K] 318 300 300,24
Temperatura ambiente [K] 298 298 298
Pr 0,7056 0,707 0,707
k 0,02704 0,0263 0,0263
NuL 287,56857 287,788661
7
287,788661
7
h de convecção do vidro 3,8883 3,7844 3,7844
h de radiação do vidro 6,102960 5,577625 5,58435
h equivalente do vidr 9,99129 9,362045 9,368779
Radiação Incidente na placa de cobre [W/m2] 920 920 920
Radiação emitida pela placa de cobre para o vidro [W/m2] 0 13,51487 13,26850
Radiação que efetivamente aquece o cobre [W/m2] 920 906,485128 906,73149
Resultados
Temperatura do cobre [K] 313,49 313,29 313,29
Temperatura interna do vidro [K] 300,27 300,3 300,33
Temperatura externa do vidro [K] 300 300,24 300,2373
Radiação que aquece a placa de cobre [W] 607,2 598,28 598,44
Troca entre Vidro e Ambiente [W] -13,18 -12,89 -12,9
Troca entre cobre e água [W] -594,01 -595,39 -585,54
Eficiência 90,00 % 88,69 % 88,71 %
Teste de convergência
Diferença entre temperatura externa do vidro na iteração i
e i-1
-17,85 0,24 -0,00263
Perfil de velocidade
Convecção natural -> Sentido anti-horário
Atrito com as paredes
Resultados
Perfil de temperatura
Temperatura média na placa de vidro: 27,1 °C
Temperatura média na placa de cobre: 40,17°C
Resultados
Representação das trocas de calor no coletor
Eficiência:
𝜂 =𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑙𝑎 água
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
𝜂 =585.32 𝑊
660 𝑊
𝜂 = 88,68%
Resultados
Fenômeno de transferência de calor
Eficiência real menor que 80%
Eficiência calculada 88,68%
Modelo computacional
Conclusão
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