V Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE PROJETO NO FUNCIONAMENTO DE AQUECEDORES SOLARES COM COLETOR/ARMAZENADOR INTEGRADOS
Flávio Bréglia Sales Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Vicente Luiz Scalon Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
RESUMO
Nas atuais condições e em meio à uma preocupação crescente com o meio ambiente,
fontes renováveis de energia estão diretamente associadas à capacidade de desenvolvimento
mundial. A energia solar destaca-se dentre estas fontes pois cumpre este papel através de
diferentes tecnologias: células fotovoltaicas e de sistemas de captação da energia térmica
solar. O sistemas domésticos de água quente representam, atualmente, um dos meios mais
eficientes para reduzir o consumo de energia não renovável em função do avançado estágio
tecnológico em que se encontra. Uma das maiores dificuldades de implementação deste
sistema é o seu custo inicial elevado e que faz com que um grande número de pessoas
desistam de sua instalação. No sentido de reduzir este custo, tem ganho importância a
tecnologia de sistemas com coletor solar e armazenador térmico integrados (ICS). Este
trabalho se propõe a analisar o comportamento geral do sistema durante o processo de
carregamento, incluindo as perdas de calor por convecção e o movimento de circulação do
fluido. Para este fim, serão avaliadas geometrias distintas disponíveis na literatura e também
propostas realizadas com a finalidade de otimizar o sistema: Cubóides com diferentes
parâmetros de tamanho e também com alterações na sua estrutura. Com base nestas
geometrias serão avaliados alguns parâmetros de projeto e determinados como estes
parâmetros influenciam na eficiência geral do dispositivo.
PALAVRAS-CHAVE: Coletor integrado, Fluent, Elementos Finitos, CFD.
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento da humanidade sempre esteve associado a sua capacidade de produzir
energia. Exemplo disto são largamente vistos desde a nossa pré-história, apenas para citar
alguns dos mais importantes eventos desta história: o domínio do fogo, a utilização da força
animal, a capacidade de produzir trabalho a partir da energia térmica. Este último inclusive
propiciou a chamada “Revolução Industrial”, que tem particular importância no grande
desenvolvimento da humanidade nos último séculos.
Este grande desenvolvimento fez com que fontes de energia fossem pesquisadas em
todas as suas possibilidades. Tanto que, no final do século XIX, aparecem importantes estudos
para utilização da energia solar para aquecimento e geração de potência. Entretanto, o elevado
custo para a exploração das fontes alternativas de energia em relação aos combustíveis fósseis
fez com que a maioria destes estudos fosse abandonada tornando petróleo e carvão mineral as
principais fontes de energia do século XX.
O acelerado processo de desenvolvimento teve um como um dos seus grandes
problemas a primeira Crise do Petróleo, ocorrida no início dos anos 70 quando acreditou-se
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que o petróleo – principal fonte de energia mundial – estivesse a beira de um esgotamento
completo. Em função disto, houve um grande aumento de preço da energia e,
conseqüentemente, tornou viável a exploração das fontes alternativas de energia que tinham
sido abandonadas em função do custo.
Esta crise passou com um grande número de descobertas de novas jazidas de petróleo
e o alongamento dos horizontes do esgotamento desta importante matéria prima e os preços
do petróleo declinaram consideravelmente. Apesar disto, pouco tempo depois, um novo
problema relacionado ao desenvolvimento e utilização de recursos não renováveis começa a
aparecer: a questão ambiental.
Embora uma série de problemas tenham sido relatados em função do acelerado
desenvolvimento e utilização dos recursos naturais, como problemas com a camada de ozônio
e outros, a grande questão que se coloca na atualidade é o chamado “Efeito Estufa” associado
a emissão de Dióxido de Carbono e alguns outros gases para a atmosfera. A identificação do
problema é de longa data, mas o seu marco inicial, que serviu para chamar a atenção da
sociedade para o problema, pode ser definido como a primeira conferência sobre o clima
organizada pela World Metheorological Organization (WMO) em 1979. A partir daí uma série
de levantamentos foram feitos com novos indicativos do problema e que levaram a ONU a
montar o Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (Intergovernmental Panel on
Climate Changes – IPCC) e tentar através de protocolos regulamentar uma solução para o
problema.(PACHAURI, 2004).
Os estudos realizados mostraram que uma série de fatores contribuíram para o “Efeito
Estufa”, um dos principais é a queima de combustíveis fósseis. Tanto assim que o Protocolo
de Kyoto estabeleceu um sistema de créditos carbono em que os países que emitem muito
Carbono para a atmosfera devem encontrar meios ou financiar projetos que fixá-los
novamente. Sendo assim a queima de combustíveis fósseis está associada a utilização de
reservas de carbono que se encontram fixadas a uma longa data e, portanto, implicam no
aumento significativo da concentração de carbono na atmosfera. Fontes Renováveis de
Energia não usam Reservatórios de Carbono, pois energias eólica, solar e hidráulica não estão
associadas a emissão de carbono e a biomassa que efetivamente emite carbono necessita, para
sua produção, de fixar o carbono da atmosfera.
A preocupação com as condições de vida do planeta, deu nos últimos anos um forte
impulso para a utilização das fontes renováveis, mas muito mais ainda pode ser feito. Sendo
assim, o uso da energia do sol que chega a superfície da Terra representa um importante
avanço no sentido de contribuir para a melhora da situação atual. Desta forma um uso mais
intenso do uso de aquecimento solar reduziria, no caso do Brasil, reduziria o consumo de
eletricidade e, conseqüentemente, reduziria a dependência de gás natural – a fonte
normalmente utilizada para complementar a produção de energia elétrica no país.
A energia solar devido à sua facilidade de aplicação é bastante utilizada e estudada,
principalmente para baixar os custos dos equipamentos utilizados. Smyth et al (2004) mostra
o histórico da evolução do sistema com coletor/armazenador integrado (ICS – Integrated
Collector Storage), que é uma das formas de aproveitamento energético solar então
considerada de custo menor. Assim, essas concepções do sistema com coletor/armazenador
integrados desenvolvidas, demonstraram resultados satisfatórios quanto ao menor custo de
acordo com Kalogirou (1997) e sua proposta de design e construção de um modelo de ICS.
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Outro trabalho que demonstrou o menor custo do sistema ICS foi apresentado por Chaurasia e
Twidell (2000), sendo sugerido principalmente para aplicações domésticas.
Partindo da idéia de que o sistema ICS era mais barato, um maior número de estudos foram
feitos para o aperfeiçoamento do sistema. Foi visto em Chaurasia e Twidell (2000), que a
grande limitação para o rendimento desse sistema ICS era a perda de calor do fluido em
períodos de não coleção, tornando necessário cobrir o tanque de armazenamento com um
material isolante extra e dessa forma os autores decidiram comprar dois modelos de ICS com
materiais isolantes diferentes, verificando que o material transparente era mais eficiente;
seguindo ainda essa linha de melhorias nos sistemas foram desenvolvidos revestimentos
internos para se obter uma maior retenção do calor coletado, conforme Smyth et al. (1999).
A idéia de se colocar um revestimento no sistema foi fortalecida com as mudanças nas
geometrias do revestimento segundo Smyth et al. (2003), buscando uma otimização desse
novo sistema, capaz de reter uma quantidade de calor por mais tempo.
Tripanagnastopoulos e Yanoulis (1996) partiram para uma abordagem diferente, também
buscando uma melhoria do conjunto. Eles desenvolveram um um coletor solar com espelhos
simétricos e assimétricos denominado sistema CPC otimizando o conjunto óptico para
aumentar a absorção da radiação solar.
Uma modificação bastante eficiente foi obtida no protótipo construído por Mohamad (1997),
onde um diodo térmico foi utilizado para evitar a circulação reversa no período noturno, e a
avaliação da performance do sistema foi feita através de um modelo matemático. Esse
protótipo de ICS demonstrou uma eficiência comparável aos sistemas de aquecimento
convencionais.
Seguindo a linha de modificações em geometrias, Mohsen e Akash (2002), obtiveram um
aumento na eficiência de 50% para 59 % devido a inclusão de aletas na placa absorvedora, no
lado da água.
Kaushika e Banarjee (1983) analisaram o sistema do tipo cubóide (flat-plate) e Sridhar &
Reddy (2006) fizeram uma análise transiente desse, demonstrando a variação do coeficiente
de troca de calor e o fator de estratificação da temperatura em função das mudanças na
inclinação do sistema e também na profundidade do cubóide, o que influencia diretamente na
quantidade de calor perdido pelo sistema.
Gertzos et al (2008) estudou e analisou um sistema ICS com trocadores de calor utilizados
para aquecer a água em circulação como alternativa para baratear também os custos de ICS.
Em seu outro artigo, Gertzos e Caouris (2008)2 mostrou o melhor arranjo desse sistema com
trocadores de calor. Outro ponto importante no estudo de Gertzos foi a validação de seu
modelo numérico CFD em relação ao protótipo construído, mostrando boa precisão do
método computacional.
Este trabalho, seguindo a linha dos estudos anteriormente apresentados, se propõe a analisar o
comportamento do fluido no interior dos sistemas coletor/armazenador destacados e avaliar a
sua capacidade de produzir água quente. Para isto será montado um modelo numérico e
avaliado o comportamento do sistema utilizando a simulação numérica em pacote
computacional. Mudanças de projeto e seus reflexos sobre o comportamento geral do sistema
também serão avaliados.
A fluidodinâmica computacional (CFD) foi escolhida como método devido à sua
crescente utilização para solução de problemas na área de Engenharia Térmica, como mostram
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artigos recentes encontrados durante a revisão bibliográfica realizada para embasamento do
projeto.
2. METODOLOGIA
Para a simulação numérica serão utilizadas as geometrias de sistemas encontradas na literatura
em trabalhos de Gertzos et al (2008) além de modificações que serão propostas .
O sistema a ser avaliado consiste em uma geometria denominada cubóide e que, inclusive, já
podem ser vistos alguns dispositivos comerciais em operação no Brasil. Esta geometria,
acopla diretamente um reservatório na forma de semi-esfera a uma geometria similar à de um
coletor plano como mostra a figura 1 . Os dispositivos deste tipo são feitos em geral utilizando
polímeros e indicados para pequenas elevações de temperatura de água. Operando desta
forma, estes sistemas necessitam de um aquecedor complementar na maior parte do tempo e,
neste caso, apenas auxiliam na diminuição do consumo de energia.
Figura 1: Sistema acoplado na forma “cubóide” (Gertzos et al, 2008)
Os modelos numéricos são utilizados com dimensões similares às propostas nos
trabalhos originais variando apenas em parâmetros usado na otimização de seu projeto. Para
situações muito complexas e que exigem malhas extremamente refinadas, pode-se optar por
simplificações para a obtenção de resultados aproximados. O coeficiente de película para
troca de calor por convecção com o meio será estimado por meio de parâmetros usuais em
projetos de dispositivos de captação solar. As temperaturas iniciais e ambientais também serão
estimadas baseadas em parâmetros ambientais médios da região estudada - Bauru(SP).
A energia incidente sobre o coletor é outro parâmetro importante para a operação de
um coletor solar. A determinação do ângulo solar em função da hora do dia assim como da
intensidade da radiação solar definirão, efetivamente, o total absorvido em cada dispositivo.
Entretanto, em função deste trabalho estar voltado para a comparação do funcionamento dos
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dispositivos, uma condição padrão média de intensidade da radiação e ângulo solar serão
mantidos fixos durante todo o teste realizado por simulação numérica, simplificando o
modelo.
A simulação numérica será realizada utilizando-se o software ANSYS-FLUENT®
para
solução da análise do comportamento do fluido e pós-processamento através do método dos
volumes finitos. A malha gerada para o modelo será feita através do pacote Hyperworks® . O
projeto será realizado com auxílio da General Motors do Brasil que possui uma versão
licenciada dos referidos softwares.
2.1 MALHA Para validação do modelo, inicialmente será feito um modelo 2D para buscar correlação com
o modelo de Gertzos et al (2008) fazendo as alterações propostas para otimização do sistema.
Posteriormente com os parâmetros determinados, será simulado um modelo 3D para estudo
do comportamento do sistema e também movimento do fluido, bem como sua movimentação.
A malha 2D utilizada para simulação inicial possui 31772 elementos minimizando a
necessidade da construção de uma camada limite para evitar efeitos indesejáveis conforme
figura 2.
Figura 2 – Malha do Cubóide
A validação do modelo numérico foi realizada comparando resultados obtidos na mesma
configuração (dimensões e condições de contorno) com os de SRIDHAR E REDDY (2007?),
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onde o modelo numérico correlacionava-se de maneira satisfatória com o protótipo
construído. A comparação entre os modelos do presente trabalho com a referência é
apresentada no gráfico abaixo.
Figura 3: Comparação dos resultados desse trabalho com a literatura mostrados por [Sridhar &
Reddy (2007)].
Assim sendo, a malha inicial utilizada foi de 3mm, e em seguida foram testados outros dois
tamanhos de elemento distintos: 1.5mm e 4mm confirmando a consistência da relação tempo
de processamento / precisão do modelo da malha de 3 mm, visto que o tempo de
processamento entre a malha de 1.5mm e 3mm foi reduzido em 50%.
Figura 4: Estudo de validação de malha
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2.2 PARÂMETROS TRANSIENTES Para simular o aquecimento solar variável ao longo do dia, será utilizado um fluxo de calor de
950 W/m² durante 2 horas; para simulação do resfriamento obtido durante o período de não
coleção, o fluxo de calor será de -20W/m².
3 RESULTADOS
ESTUDO DA TEMPERATURA MÁXIMA EM CADA GEOMETRIA APÓS O AQUECIMENTO
Mantendo-se as condições de contorno, a única modificação capaz de alterar os
resultados do sistema é a geometria. Partindo do modelo base estudado por SRIDHAR E
REDDY (2007), foram feitas alguma alterações na tentativa de aperfeiçoar o sistema na
obtenção e manutenção de altas temperaturas. Os resultados gráficos apresentando a distribuição de temperatura no período de
aquecimento estão nas figuras 5, 6, 7.
Figura 5: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento
Observando o gráfico na Figura 5 acima, notamos que as temperaturas máximas no
período de aquecimento alcançadas nos sistemas são muito parecidas tendo diferença menor
de 1K. Isso ocorre porque as dimensões da placa receptora são as mesmas, ou seja, a
quantidade de energia térmica que entra no sistema é a mesma e também o volume de água no
interior do sistema se mantém o mesmo. Para os sistemas com capacidade maior, é normal
notar que quanto maior a capacidade deles, menor é a temperatura máxima, já que o volume
de água à ser aquecida é maior.
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Figura 6: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento nas geometrias com
direcionadores e geometria com somente placa.
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Figura 7: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento nas geometrias com
maior capacidade e geometria com placa e direcionador
Analisando somente o período de aquecimento primeiramente, percebe-se uma pequena
diferença na região superior do armazenador e nesse caso, os sistemas com direcionador de
fluxo demonstram ligeira vantagem por possuir uma maior região de temperatura mais quente.
O sistema com placa e direcionador de fluxo tem um perfil de temperatura muito parecido
com o sistema que possui somente a placa e leva ligeira vantagem devido ao uso do
direcionador. A presença da placa separadora facilita o escoamento do fluido no interior do
coletor, proporcionando uma maior uniformidade da temperatura. Como análise primária
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pode-se dizer que o sistema com direcionador de fluxo tem um desempenho melhor em
relação aos demais.
Figura 8 – Velocidade plotada no aquecimento para geometria com placa e com
direcionador
Com o a informação do comportamento da velocidade no interior do sistema, observando
a Figura 8, podemos facilmente identificar que o sistema com placa não recircula a água no
reservatório, ou seja, não oferece grandes dificuldades para que a água quente saia do
reservatório. Já o sistema de baixo, com direcionador, promove uma maior resistência à saída
da água quente, resultando em uma recirculação no interior do sistema capaz de manter uma
maior temperatura em um espaço maior.
Devido à esse fato, podemos concluir também que a estratificação térmica dos sistemas
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com placas será menor, justamente pelo motivo de o fluido sair com facilidade do reservatório
e trocar calor com a porção de fluido mais fria, fazendo com que a temperatura seja mais
quente em pequenos pontos, ou seja, causando uma maior uniformidade da mesma.
ESTUDO DA TEMPERATURA MÁXIMA EM CADA GEOMETRIA APÓS O RESFRIAMENTO
Analisando a Figura 9 podemos concluir novamente que o valor de temperatura máxima para
os sistemas não possuem diferenças significativas em termos de valor, mesmo no período de
resfriamento. O que difere nos sistemas é a distribuição de temperatura, tanto no período de
aquecimento, quanto no período de resfriamento.
Figura 9: Temperatura máxima plotada ao término do resfriamento
Para fazer uma análise completa dos sistemas temos que levar em conta como está distribuída
a temperatura no interior dos coletores e não somente o valor máximo atingido, já que a
quantidade de água próxima à temperatura máxima é o que realmente importa em sistemas de
aquecimento de água através de energia solar.
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Figura 10: Temperatura máxima plotada ao término do resfriamento na geometria com
direcionador de fluxo
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Figura 11: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento na geometria com
capacidade de 300L
Analisando visualmente os sistemas após o resfriamento nota-se que as temperaturas
máximas para as quatro primeiras configurações são muito próximas, porém com diferenças
em termos de camadas de estratificação. O primeiro ponto observado é que os sistemas que
possuem placas defletoras têm uma temperatura mínima maior do que os sistemas com
somente direcionador e isso acarreta em uma menor estratificação e consequentemente em
uma menor porção de água útil.
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Os sistemas que compostos por placas, possuem uma maior recirculação de fluido
acarretando em uma maior uniformidade da temperatura e é essa a causa da menor
estratificação.
Olhando para as figuras 10 e 11 podemos ver claramente uma maior porção de água quente
localizada no reservatório bem como camadas mais bem definidas e maiores de níveis de
temperatura. Isso difere substancialmente os sistemas com direcionador, dos sistemas com
placa.
O fenômeno da recirculação é um dos principais alvos no estudo de coletores solares, pois
é o principal responsável pela perda de energia térmica coletada, diminuindo o rendimento dos
sistemas.
ESTUDO DA TEMPERATURA MÍNIMA EM CADA GEOMETRIA APÓS O AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO
Para facilitar ainda mais a visualização na diferença de funcionamento dos sistemas
estudados, podemos analisar também a temperatura mínima do fluído no sistema, conforme
veremos na figura 10
Figura 12: Temperatura mínima plotada ao término do aquecimento
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Figura 13: Temperatura mínima plotada ao término do resfriamento
A temperatura mínima do sistema é importante, pois, juntamente com outros dados como
função corrente, demonstram se o fluido se movimenta mais ou menos no interior do sistema.
Um sistema que possui alta temperatura mínima, certamente terá uma distribuição de
temperatura mais homogênea, ou seja, uma menor estratificação das camadas de nível de
temperatura. Observando novamente as figuras 10, 11, 12 e 13, com o auxílio das figuras 14 e
15, podemos notar que os sistemas com placa circulam mais o fluido, aquecendo o sistema
mais homogeneamente, o que não é o objetivo dos sistemas de aquecimento de água através
de coletores solares. Atrelados à esses estudos, está a comprovação da maior movimentação
do fluido observando a função corrente das geometrias com direcionador e com placa
defletora nas figuras 14 e 15, onde a figura 15 que mostra a geometria com placa mostra uma
região de movimentação maior do que a figura 14.
Figura 14: Função corrente após término do aquecimento no sistema com direcionador de
fluxo
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Figura 15: Função corrente após término do aquecimento no sistema com placa defletora
Analisando os dados, o último fator a ser analisado é o fator de estratificação, que
quantifica a estratificação térmica em camadas. A primeira figura mostra os valores para o
fator de estratificação, que nesse caso foi calculado como a temperatura máxima instantânea
subtraindo a temperatura mínima instantânea e dividindo o resultado pela temperatura média
do período total.
Figura 16: Coeficiente de estratificação durante o período de aquecimento
Notamos na Figura 16 que mais uma vez os sistemas com direcionais demonstram uma
maior estratificação de temperatura, ratificam os resultados previamente apresentados. Isso
ocorre, pois a presença da placa aumenta a velocidade do fluxo, aumentando a movimentação
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desse sistema. A placa facilita o movimento de circulação do fluido o que nesse caso é
prejudicial. A Figura 17 nos mostra que os sistemas com direcionador mantém a melhor
estratificação e a menor mistura dos fluidos mesmo no período de resfriamento.
Figura 17: Coeficiente de estratificação durante o período de resfriamento
4. CONCLUSÕES Analisando todos os modelos e de acordo com a discussão desenvolvida na apresentação dos
resultados, podemos afirmar que o sistema de aquecimento solar com coletor-armazenador
integrados que seria mais interessante do ponto de vista de utilização de água quente é o
sistema com direcionador, justamente devido a sua estratificação, já que este é um fator de
extrema importância quando se trata de sistemas de aquecimento solar.
Em termos de temperatura, as geometrias se mostraram muito parecidas, não justificando o
uso de uma outra. Apenas as geometrias com maior capacidade tiveram resultados diferentes,
o que já era esperado.
Como se buscava uma geometria otimizada, o sistema com direcionador se mostrou um pouco
melhor do que os outros sistemas, pois dificulta a saída do fluido quente do reservatório,
diminuindo sua circulação e mantendo uma camada de fluido quente maior do que os outros
sistemas analisados.
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5. REFERÊNCIAS
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transparent insulation material. Solar energy, v.70, p. 403-416, 2000.
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