MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE AQUECEDOR SOLAR VISANDO AQUECIMENTO DE ÁGUA

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1 MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE AQUECEDOR SOLAR ISANDO AQUECIMENTO DE ÁGUA S. R. TAARES 1 e N. G. SOUSA 1 1,2 Univeridade Federal do Triângulo Mineiro, Departamento de Engenaria Químia 2 para ontato: nadiagoua@gmail.om RESUMO O reente aumento na demanda energétia mundial é um do grande deafio da atualidade. Sabe-e que o uo da energia elétria para aqueimento de água é um do maiore reponávei pelo alto onumo de energia elétria no paí. Com ito em mente empre e tenta arrumar alternativa para uma diminuição do uo de energia elétria. Nete trabalo é poível notar a viabilidade de um aqueedor olar onde utilizando equaçõe foi poível e oneguir um bom rendimento para o aqueedor olar. Dentre a variávei que foram relevante para ete proeo etá a temperatura ambiente, que tem uma ignifiante diferença quando tratada omo a média do dia e quando oniderada durante a vinte e quatro ora do dia. 1. INTRODUÇÃO O reente aumento na demanda energétia mundial é um do grande deafio da atualidade. Sabe-e que o uo da energia elétria para aqueimento de água é um do maiore reponávei pelo alto onumo de energia elétria no paí. Para reduzir ee onumo, uma alternativa viável é popularizar a utilização da energia olar para tal aqueimento. O Brail é privilegiado em termo de radiação olar. Segundo a ANEEL, o Plano Naional de Energia 2030 reproduz dado do Atla Solarimétrio do Brail e regitra que ea radiação varia de 8 a 22 MJ/m² durante o dia, endo que a menore variaçõe oorrem no mee de maio a julo, variando de 8 a 18 MJ/m². O primeiro aqueedore urgiram na déada de 70, porém omente na déada de 90 ele e tiveram um aumento ubtanial e om io omeçaram a ter maiore variaçõe de modelo, qualidade e aim maiore apliaçõe. Albuquerque et al. (2002) propueram a análie de omo algun fatore, omo a veloidade do vento, influeniam na efiiênia de um itema de aqueimento de água om oletor olar. Ele onluíram que na ondiçõe e no loal onde foram feita a medida o uo de oletore olare é viável e no verão a radiação olar é fator determinante no itema. Kiiny et al. (2013) propueram modelo de EDO etendida para modelar uma grande epéie de itema de aqueimento olar om tubo. O modelo etendido ão mai razoávei que o modelo báio levando em onta a preião da modelagem de armazenamento, o que é indipenável na previão e no deenvolvimento da efiiênia do itema de aqueimento olar para o benefiio do onumidor.

2 O objetivo dete projeto é a análie e a imulação matemátia de um aqueedor olar para itema de aqueimento de água. Para tal, tem-e omo bae trabalo enontrado na literatura, para efeito de omparação e viabilidade do projeto. A utilização de itema de aqueimento olar via diminuição do uto de energia elétria além de er uma fonte de energia renovável e limpa. O dado de irradiação e temperatura ambiente foram oletado para a idade de Uberlândia, loalizada no Triângulo Mineiro. 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO Um itema olar de aqueimento de água é ompoto baiamente por: reervatório de água fria, reervatório térmio, oletor olar e rede de onumo, omo motrado na Figura 1. Figura 1- Aqueedor Solar (adaptado de Kiiny et al., 2013)). Ete trabalo poui natureza teório-omputaional e utilizará o oftware livre Silab, para realizar a imulaçõe omputaionai do itema etudado Modelo matemátio Utilizando a equaçõe de Kiiny et al. (2013), foi poível um etudo para a região do Triângulo Mineiro. A equaçõe propota por ele que utilizamo foram: T = A η 0 ρ I + U Lb A ρ (T a T ) + υ (T T ) (1) ρ T = εk 2 + ρ (T T ) + A ρ (T T ) + 2 A a k a ρ (T a T ) 2 (2)

3 ρ T = εk 2 + ρ (T T ) + A ρ (T T ) + 2 A a k a ρ (T a T ) 2 (3) T = υ l (T d T ) + υ (T T ) + A k ρ (T a T ) (4) em que: T é a temperatura do oletor olar; T é a temperatura da parte quente do troador de alor. T é a temperatura da parte fria do troador de alor e T é a temperatura do tanque de aqueimento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES O parâmetro utilizado para a imulação do modelo etão dipoto na Tabela 1. Tabela 1 Parâmetro da imulação. A = 33,3 m² A a = 0,24 m² υ = 0, m³/ = 0,005 m³ = 2m³ ρ = 1000 kg/m³ = 4200 J/kg = 3623 J/kgK k a = 0 W/m²K A = 4 m² U Lb = 7,3 W/m²K = 0,027 m³ = 464,8 J/kgK εk = 2461,5 W/m²K A = 2 m² ρ = 1034 kg/m³ η 0 = 0,74 υ l = 0,0001 m³/ υ = 0,00175 m³/ = 37 kg T a = 298,15 K T d = 298,15K k = 1 W/m²K T a = 298,15 K Com a Equaçõe 1 a 4 e o valore de irradiação e de temperatura ambiente, obtido atravé do ite do INMET (Intituto Naional de Meteorologia), foi poível uma omparação utilizando a temperatura média e a temperatura durante a 24 ora, ou eja, variando ao longo do dia. A fim de omprar o reultado imulado a efiiênia média erá alula pela Equação 5. η = υ ρ (T média T a ) A I médio (5) O reultado da imulação ão motrado na Figura 2 e 3.

4 Figura 2 Comportamento para a temperatura do oletor olar e da parte quente do troador ( - T a ontante; -.- T a variando). Figura 3 Comportamento para a temperatura da parte fria do troador e do armazenador ( - T a ontante; -.- T a variando). Analiando o reultado obtido, pode-e notar que a influênia da temperatura ambiente é pouo ignifiativa. Entretanto, ao analiar a efiiênia perebe-e que ao

5 oniderar a temperatura variando ao longo do dia tem-e η=48% e a efiiênia oniderando a média da temperatura é de η=30,5%. Io oorre pelo fato de que ao oniderarmo ora a ora temo um modelo om maior grau de preião do que quando fazemo a média. 4. CONCLUSÕES A imulaçõe efetuada motraram que a unidade de aqueimento olar de água ão ferramenta em potenial para erem utilizada omo alternativa para reduzir o onumo de energia, poi, apreentaram efiiênia próxima de 50%. Entretanto é neeário levar em onta a influênia de alguma variávei do proeo, omo a variação da temperatura ambiente. O reultado obtido quando foram implementado o dado oletado para a região do Triângulo Mineiro pôde-e notar que quando e utiliza a temperatura variando ao longo do dia tem-e temperatura máxima o que leva a uma maior aborção de energia olar pelo oletor e aim influenia diretamente a demai temperatura do proeo (η=48%). Io não é notado quando e utiliza valore médio para a temperatura ambiente, nete ao a máxima não erão atingida reduzindo aim efiiênia do itema de aqueimento olar (η=30,5%.). 5. NOMENCLATURA A a = área da uperfíie do troador de alor para o ambiente (m²) A = área de uperfíie do oletor no ampo (m²) A = área da uperfíie de tranferênia de alor dentro do troador (m²) A = área uperfiial externa do armazenador olar (m²) = apaidade do alor epeífio do fluido oletor (J/kg K) = apaidade de alor epeífio do material do troador de alor (J/kg K) = apaidade do alor epeífio da água (J/kg K) εk = oefiiente de tranferênia de alor dentro do troador (W/m² K) I = irradiação olar global na uperfíie do oletor (W/m²) k a = oefiiente de perda de alor do troador para o ambiente (W/m² K) k = oefiiente de perda de alor do armazenador olar para o ambiente (W/m² K) = maa do troador de alor vazio (kg) = Temperatura do oletor olar (K) T d = Temperatura da água da torneira (K)

6 T a = Temperatura ambiente do troador de alor (K) T = Temperatura da parte fria do troador (parte do armazenador) (K) T = Temperatura da parte quente do troador (parte do oletor) (K) T a = Temperatura ambiente do armazenador olar (K) = volume do oletor olar no ampo (m³) = volume total do troador de alor (m³) = volume do armazenador olar (m³) 6. REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE. T. T. de A.; BARCELLOS. K. M.; LYRA. R. F. da F. Influênia do Parâmetro Meteorológio obre a Efiiênia de um Coletor Solar Plano Detinado a Aqueimento de Água na Região de Maeió-Al. Alagoa, KICSINY. R.; NAGY. J.; SZALÓKI. CS. Extended Ordinary Differential Equation Model for Solar Heating Sytem wit Pipe. Applied Energy, v. 129, p , OLIEIRA, A. G. A. DE. Modelagem e Simulação de um Sitema Solar de Aqueimento e Ditribuição de Água Quente. Belo Horizonte, INMET, Intituto Naional de Meteorologia. Diponível em: <ttp:// KICSINY. R.; ARGA. Z. Real-time tate oberver deign for olar termal eating ytem. Applied Matemati and Computation, v. 218, p , 2012.