Coletor Solar de Placas Planas

Ranyer Soares de Oliveira R.A. 092768Mauro Oliveira Borges JúniorR.A. 092381Cássio 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 -> Diâmetro -> Velocidade média -> = 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 ->

Coeficiente de convecção -> Coeficiente de radiação -> Coeficiente equivalente ->

Formulação do problema

Troca de calor coletor/água Calcular Reynolds -> Laminar plenamente

desenvolvido Seção do tubo circular -> =

Radiação Placa de cobre/Placa de vidro Segundo Incropera:

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 ZDomain Size 2.0000 0.0210 0.3300Number of cells 100 37 1Power 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

287,7886617

287,7886617

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:

Resultados

Fenômeno de transferência de calor

Eficiência real menor que 80%

Eficiência calculada 88,68%

Modelo computacional

Conclusão