Desenvolvimento de Novos Coletores Solares de Condicionamento de Ar e Refrigeração

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1 Desenvolvimento de Novos Coletores Solares de Condicionamento de Ar e Refrigeração

2 Projeto Desenvolvimento de Novos Coletores Solares de Condicionamento de Ar e Refrigeração Parceria com o Grupo de Estudos e Pesquisa em Energia GEPEN do Centro Universitário UNA Grupo 1 - Coletores especiais Desenvolvimento, fabricação e teste de coletores de média temperatura (80⁰ a 200⁰): Coletor Plano Especial; Coletor Concentrador Cilíndrico com foco móvel e absorvedor fixo; Coletor Concentrador Linear Fresnel e rastreador. Grupo 2 - Refrigeração Solar Grupo 3 Transferência de Inovação Desenvolvimento de conceitos de engenharia dos sistemas de ar condicionado solar; Estudos da integração dos coletores e os diversos sistemas acessórios do ar condicionado solar; Sistema piloto misto 4TR chiller de adsorção com sistema dessecante líquido; Sistema piloto absorção 10TR com rejeito de calor em piscina. Avaliação do ambiente interno propício à posterior fabricação e comercialização dos coletores desenvolvidos através do diagnóstico do estado da arte e grau de inovação da indústria

3 Coletores Solares Mercado Brasileiro de Aquecimento Solar

4 Coletores Solares Mercado Brasileiro de Aquecimento Solar Residências 42% HIS 11% Indústrias 7% Piscinas 30,5% Hotéis e Hospitais 5,5% Cond. Residenciais 4% Piscinas 30,5%

5 Coletores Solares Temperaturas típicas Temperaturas Típicas em Processos Industriais Setor Alimentos e Bebidas Tratamento de Superfícies (Anodização, Galvanização e Pintura) Têxtil Químico Borracha Todos Processo Secagem Lavagem Pasteurização Fervimento Esterilização Tratamento Térmico Limpeza Lavagem Branqueamento Tingimento Fervimento Destilação Processos Químicos Variados Vulcanização Pré-aquecimento de água para caldeira Irradiação Solar Direta x Densidade de Indústrias Faixa de Temperatura ( C) Fonte: Viana (2010)

6 Coletores Solares Tipos de coletores Movimento Estacionário Rastreamento 1-eixo Rastreamento 2-eixo Tipo de Coletor Coletor Plano Coletor Plano Especial Tubo Evacuado Concentrador Parabólico Composto - CPC Refletor Linear Fresnel Calha Cilíndrica Calha Parabólica Refletor Tipo-Dish Campo de Heliostatos Tipo de Absorvedor Razão de Concentração Faixa de Temperatura ( C) Plano Plano Plano Tubular Tubular Tubular Tubular Tubular Tubular Ponto Focal Ponto Focal

7 Ar Condicionado Distribuição do consumo por uso final Prédios Públicos Setor Comercial Setor Residencial

8 Ar Condicionado Saturação de Mercado AC: Sailor e Pavlova (2003) 365 Grau dia = (T - T ) i =1 b med

9 Ar Condicionado Ar Condicionado Solar A grande importância do desenvolvimento de sistemas de ar-condicionado solar reside na coincidência dos picos de disponibilidade do recurso solar com os picos de demanda de energia elétrica pelos sistemas convencionais de condicionamento de ar, tanto temporal como geograficamente, representando uma contribuição potencialmente elevada na redução da necessidade de reforços na rede de distribuição, além da economia de energia.

10 Ar Condicionado Solar Tecnologias

11 Ar Condicionado Solar Absorção e Adsorção

12 Ar Condicionado Solar Temperatura de Operação x COP

13 Ar Condicionado Solar Sistemas Dessecantes Desumidificação (calor latente) do ar através de um material dessecante (líquido ou sólido) Resfriamento evaporativo fica vantajoso; Temperaturas de regeneração mais baixas; Menor custo de operação e manutenção; Controle da temperatura e umidade independentes.

14 Metodologia Computacional Volumes Finitos O método dos volumes finitos se baseia na conversão de um conjunto de equações diferenciais em um sistema linear com grande número de equações algébricas, através da discretização do domínio em pequenos volumes ou elementos. O domínio computacional é representado por um conjunto de pontos, denominados nós, interconectados, formando uma malha. Variáveis fluidodinâmicas armazenadas nos nós. Aplicação das equações de conservação nos volumes de controle. Utilização do Ansys CFX => Sem necessidade de implementação código para discretização do domínio e resolução das equações.

15 Metodologia Computacional Etapas da Simulação 1 - Construção da Geometria 3D 3 - Setup 2 - Geração da Malha Solidwoks Configuração dos domínios, materiais, modelos matemáticos e condições de contorno 5 - Análise de Resultados 4 - Solução Avaliação da temperatura de saída, perfil de vazão, análise de eficiência e perda de carga. Configuração das condições de parada e outros controles do solver, e a solução propriamente dita.

16 Metodologia Computacional Construção da Geometria 3D Elaborada no software Solidworks Dimensão Diâmetro do manifold divisor Diâmetro do manifold combinador Diâmetro dos tubos de elevação Comprimento do manifold divisor e combinador Comprimento da placa absorvedora Largura da placa absorvedora Espaçamento entre a placa absorvedora e a primeira cobertura de vidro Espaçamento entre os vidros Espessura dos vidros Espessura da placa absorvedora Medida (mm) , ,4

17 Metodologia Computacional Geração da malha Discretização do domínio em elementos formados por nós em seus vértices. Todos os domínios: Tubos, fluidos, aletas, ar e vidros (exceto o isolante, que foi considerado perfeito adiabático) Pacote Meshing do Ansys CFX. Utilização de malhas prismáticas: Melhor qualidade considerando os erros introduzidos na simulação devido a imprecisões no cálculo de gradientes em regiões com elementos distorcidos. Controles específicos para otimização de cada malha (Precisão x Custo Computacional)

18 Metodologia Computacional Geração da malha Controles Específicos Método Sweep Replicação de malha bidimensional ao longo da direção perpendicular à superfície 2D

19 Metodologia Computacional Geração da malha Controles Específicos Método Thin Sweep Dimensão da direção da varredura deve ser pequena Permite que a malha bidimensional tenha formato genérico, inclusive em superfícies curvas.

20 Metodologia Computacional Geração da malha Controles Específicos Método Inflation Método sweep aplicado na superfície de um corpo 3D, se estendendo até uma pequena profundidade do mesmo Melhoria da precisão no cálculo do gradiente próximo as interfaces líquido-sólido.

21 Metodologia Computacional Geração da malha Estatísticas da Malha Gerada Domínio Número de nós Número de elementos Aletas Tubos de elevação Manifolds Fluido de trabalho Cobertura inferior e superior Ar Total

22 Metodologia Computacional Setup e Solução Premissas Condições de contorno => modelo em regime permanente Transmissividade = 0,8, absortividade = 0,96 e radiação solar incidente = 520 W/m² Configuração dos Domínios Fluido de trabalho Aletas Água Alumínio Fonte de Radiação 520 W/m² Superfície inferior adiabática Regime laminar Paredes sem deslizamento Vazão total 3,39 x 10-2 kg/s Temperatura de entrada 25 C Espaçament o de ar Cobertura Ar Vidro Regime Temperatura turbulento ambiente 25 C Modelo Coeficiente de K-épsilon de perda de calor 2,75 turbulência W/m²K Modelo P1 de radiação

23 Metodologia Computacional Resultados Temperatura de saída da água => 62,2 ºC Ganho de energia do fluido de trabalho => 526 W Valor médio da temperatura da placa absorvedora: 74,3 ºC Temperatura da superfície superior da cobertura: 54,5 ºC Eficiência = 75,4% O valor de eficiência obtida em ensaios laboratoriais utilizando a norma ABNT NBR do protótipo construído resultou em uma média de 67% nas mesmas condições de operação.

24 Metodologia Computacional Resultados Perfil de vazão e perfil de temperatura da placa absorvedora

25 Conclusões Desvio de 8,4 pontos percentuais nos resultados de eficiência do coletor em relação aos testes laboratoriais devido, principalmente, a imprecisões no modelo e condições de contorno. Valor de coeficiente de perdas térmicas pelo topo do coletor de 2,75W/m²K calculado utilizando as equações clássicas da transferência de calor. Valores não medidos da transmissividade e absortividade Modelo desenvolvido utilizando o software Ansys CFX, que antecede a construção dos protótipos, é adequado para a previsão do desempenho térmico global do coletor, bem como para avaliação de fenômenos termofluidodinâmicos localizados.

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