ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE COLETORES SOLARES TUBULARES A VÁCUO OPERANDO EM TRANSFERÊNCIA DIRETA

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1 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p ESUDO DO COMPORAMENO DE COLEORES SOLARES UBULARES A VÁCUO OPERANDO EM RANSFERÊNCIA DIREA Rejane De Césaro Olieski decesaroo@gmail.com Uniersidade do Vale do Rio dos Sinos, Programa de Pós-Gradação em Engenharia Mecânica Arno Kreninger arno.kreninger@frgs.br Uniersidade Federal do Rio Grande do Sl, Laboratório de Energia Solar Lcas Lopes de Morin Olieira lcaslopesdemorimolieira@ahoo.com.br Uniersidade do Vale do Rio dos Sinos, Programa de Pós-Gradação em Engenharia Mecânica Resmo. Em sistemas de aqecimento de líqidos por energia solar, coletores tiliando tbos eacados apresentam atalmente melhor desempenho do qe coletores planos para a operação de alta temperatra. Isto por casa da perda redida de conecção de calor deido ao enelope de áco em torno da sperfície eterna. Os coletores solares com tbo a áco são ma noidade no Brasil, além disso, sa tiliação em escala comercial tem menos de 10 anos e ainda há mitas qestões a serem respondidas sobre sa tiliação e eficiência. Assim, atraés de ma colaboração entre o NEE (Núcleo de Estdos érmicos e Energéticos) da UNISINOS e o LABSOL (Laboratório de Energia Solar) da UFRGS, foi iniciado m programa de estdos para bscar a melhor compreensão da operação destes eqipamentos. A metodologia empregada consiste em simlação nmérica por CFD (Compter Flid Dnamics) e alidação desta com resltados nméricos, disponíeis na literatra, e eperimentais. Os resltados de campos de elocidade e temperatra média indicam qe a metodologia tiliada é bastante adeqada. Palaras-chae: Energia Solar, bo a Váco, CFD. 1. INRODUÇÃO Os coletores solares tblares isolados com áco êm amentando se lgar no mercado mndial de forma impressionante. Embora a primeira proposta de tiliação tenha ocorrido na década de sessenta, atraés de Speer (1965), há poco mais de ma década eles são prodidos em escala comercial. No Brasil ainda são noidade, pois o frio nas regiões de menor latitde é bastante ameno, e os coletores solares de placa plana ainda satisfaem as necessidades nestas regiões. Os coletores planos conencionais ainda são mais baratos do qe os coletores solares a áco, mas o csto do a áco em diminindo bastante. Jstamente deido a esta aproimação de csto é qe se torna importante estdar detalhadamente a operação dos diferentes tipos de coletor e definir com segrança qal a melhor configração para cada aplicação em fnção do clima do local onde ocorre a demanda. Além disso, segndo Zambolin e Del Coll (010), coletores eacados apresentam maior eficiência para ma maior gama de condições de fncionamento, em comparação com o coletor de placa plana. Os coletores solares tblares isolados com áco podem operar basicamente com 4 configrações. O qe é comm nestas 4 configrações é o absoredor instalado em m filme de sperfície seletia depositado na sperfície eterna do tbo de idro interno, como pode ser obserado na Fig. 1. Neste caso, qando os coletores são epostos ao sol, o primeiro elemento a aqecer é o idro do tbo interno, onde o absoredor está depositado. A diferenciação entre as configrações ocorre pela forma como esta energia é transferida à ága no momento seginte. Das configrações mantém o interior dos tbos de idro seco, em contato com ma chapa metálica, a qal aqece por condção e repassa a energia a tbos soldados à mesma. Esta chapa metálica será designada como aleta neste teto. Destas das configrações, ma tem a aleta conectada a m tbo de calor qe transfere energia térmica por mdança de fase até m condensador, o qal se conecta com m trocador de calor para aqecer a ága qe circla no tbo cabeçote. A segnda tem a aleta conectada a m tbo metálico em forma de "U", com descida e retorno de ága dentro de cada tbo de idro. As otras das configrações tiliam o próprio tbo interno de idro para ceder calor à ága. A terceira possibilidade de configração de coletor solar tblar apresenta m otro tbo dentro do tbo de idro interno. A ága desce por este tbo e retorna pelo espaço entre este último tbo e o tbo de idro interno. Mas a configração qe tem encontrado maior difsão no Brasil é simplesmente o coletor tblar preenchido diretamente com ága (ater-inglass). Neste caso, o tbo de idro interno fica cheio de ága e a transferência de calor é realiada pelo contato direto do flido nas paredes do tbo de idro. Independentemente de haer o não ma bomba qe aciona a ága atraés do tbo cabeçote, a circlação da ága dentro dos tbos de idro nesta última configração ocorre deido ao efeito termossifão, o qal se processa pela diferença de temperatra casada pela absorção solar na sperfície seletia. A Fig. 1 mostra m desenho esqemático de m conjnto tbo de áco conectado ao tbo acmlador. Nesta figra identificam-se escoamentos principais escoamentos dentro do tbo, os qais são identificados atraés das 16

2 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p flechas. Com o aqecimento do flido pela radiação solar incidente para parte sperior do tdo, ocorre ma diminição da massa específica da ága, proocando o efeito termossifão, com deslocamento de massa menos densa para o interior do tbo acmlador (tanqe horiontal) e conseqente deslocamento de massa mais densa do tbo acmlador para dentro do tbo de áco. Figra 1 - bo eacado. Adaptado de Bdihardjo et al. (007). Usalmente os eqipamentos inclem arranjos compostos com aproimadamente 0 tbos eacados, com ligação direta a m tanqe de armaenamento. Inestigações tiliando simlações CFD indicam qe a transferência de calor em cada tbo não é significatiamente inflenciada pelo qe acontece em tbos adjacentes. Este modelo simplificado red o tempo de simlação, no entanto, mesmo modelando ma secção de m sistema de tbo e tanqe reqer eleado tempo de simlação, tomando eleada capacidade comptacional e não sendo adeqado para estdos paramétricos (Bdihardjo et al., 007). O posicionamento inclinado destes tbos na sa tiliação fa com qe ocorra m escoamento compleo da ága no interior do tbo, o qe não pode ser analisado corretamente por meio de simlações nméricas ni o bidimensionais, faendo-se necessário o so de modelos tridimensionais acoplados. Com este tipo de abordagem, nmérica tridimensional e por CFD, pode-se citar os trabalho de Morrison et al. (005) e Bdihardjo et al. (007). Estes atores abordaram o problema de forma eperimental e nmérica tridimensional tiliando o softare comercial Flent. Além de análises sobre condições térmicas e dinâmicas, estes atores apresentaram ma correlação para o processo de conecção natral em m tbo eacado, sendo a correlação de Bdihardjo et al. (007) bem mais ampla do qe a de Morrison et al. (005). anto m qanto otro trabalho foram baseados em tbos eacados do tipo mostrado na Fig.. As Figs. a-b mostram, respectiamente, a seção longitdinal e transersal do tbo eacado tiliado neste trabalho. Nelas estão indicados ses principais elementos, os qais são: tbo eterno, tbo interno, localiação da sperfície absoredora e espaço eacado. L D Figra - bo coletor solar isolado a áco (a) Vista lateral; (b) Corte transersal. FONE: Manea et al. (010). 17

3 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p Sendo ma configração mais barata e bastante eficiente, é natral qe esta configração seja mito sada, mas é interessante conhecer se comportamento com maior profndidade. Assim, atraés de ma colaboração entre o NEE (Núcleo de Estdos érmicos e Energéticos) da UNISINOS e o LABSOL (Laboratório de Energia Solar) da UFRGS, foi iniciado m programa de estdos para bscar a melhor compreensão da operação destes eqipamentos.. OBJEO DE ANÁLISE Para ter ma alidação inicial aos resltados nméricos, trabalhos de dois atores foram considerados: Bdihardjo et al. (007) e Manea et al. (010. Os casos abordados pelos primeiros e segndos atores serão chamados neste trabalho de bo Aberto e bo Fechado, respectiamente, e serão descritos na seqencia. Para efeito de simlação nmérica, em ambos os casos, apenas o olme ocpado pela ága no tbo interno foi considerado como domínio de cálclo..1 bo Aberto Neste caso o tbo coletor, de comprimento L=140 mm e diâmetro D = 34 mm, é conectado ao tbo coletor. Assim, pelas condições físicas descritas no item anterior, a ága entra e sai liremente pela sperfície aberta do tbo. Bdihardjo et al. (007) realiaram simlações nmérica com diferentes distribições e intensidades de flo de calor incidentes na sperfície radial. Para fins de alidação nmérica, apenas das configrações térmicas serão apresentadas/comparadas neste trabalho, os qais são: (a) potência de 75 W distribída niformemente na metade sperior do tdo e considerando a metade inferior como adiabática; (b) intensidade de radiação ariáel em toda sperfície do tdo, cja fnção é apresentada na Fig. 3.. bo Fechado Figra 3 - Distribição da radiação sobre m tbo eacado. Adaptado de Cabanillas et al. (1995). Nesse trabalho o tbo coletor solar, de comprimento L= 1775 mm e diâmetro D=44 mm, foi preenchido com.7 kg de ága a 18 C e logo depois foi fechado e eposto ao sol, sendo mantido nesta condição drante 600s. Imediatamente após esta eposição, a ága foi mistrada e sa temperatra média determinada. A irradiância solar direta foi medida atraés de m pireliômetro modelo NIP da marca Epple e a irradiância solar global foi medida com m piranômetro modelo CM11 da marca Kipp&Zonen, sendo as temperatra medidas com sensores P100 com ligação a 4 fios e preiamente calibrados. Na ocasião, este eperimento foi tiliado para comproar qe o prodto entre a transmitância do idro e a absortância do absoredor seletio corresponde ao alor de 0,78. O tbo, eposto a ma irradiância solar direta de 455 W/m² e a ma irradiância difsa de 80 W/m², fe com qe a ága aqecesse,7 C em 6 mintos. 3. MEODOLOGIA A proposta deste trabalho é simlar nmericamente escoamentos em tbos de áco enqanto estes recebem energia na forma de calor atraés do topo e da lateral dos mesmas. O estdo é realiado em tbos circlares, inclinados 45 com o eio horiontal e o flido de trabalho é ága. 3.1 Modelo Matemático Para simlar o processo de conecção natral no interior de tbos eacados, é considerado qe o flido de trabalho é incompressíel, o regime de escoamento é laminar e qe as propriedades da ága são mantidas constantes. Sendo assim, o modelo matemático consiste das eqações da conseração da massa (1), Naier-Stokes (-4) e energia (5), conforme apresentado na seqência. 18

4 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p (1) p t () g p t (3) p t (4) cp (5) onde, e são as componentes de elocidades nas direções, e, respectiamente, a massa específica, a iscosidade dinâmica, a condtiidade térmica, p a pressão, cp o calor específico e a temperatra. As simlações foram realiadas com o softare comercial CFX-1, onde as eqações diferenciais (1-5) são discretiadas e resolidas nmericamente para cada ponto do domínio comptacional. A malha tiliada é do tipo heaédrica e foi refinada jnto à sperfície lateral e também nas etremidades do tbo, regiões estas qe, claramente, eigem refinamento por apresentarem ali os maiores gradientes térmicos e dinâmicos do sistema. Conforme pode ser obserado na Fig. 1, o problema estdado apresenta ma região de cisalhamento no centro do domínio, decorrente da recirclação do flido. Além disso, o problema é tipicamente tridimensional e possi a atação da graidade. Estas características faem com qe a posição do cisalhamento, decorrente do escoamento em contra-corrente, seja ariáel. Desta forma, além da necessidade de refinamento em todo contorno do domínio, impostas pelas condições de contorno, o problema físico eige qe a malha seja refinada na região central. A Fig. 3 mostra a malha comptacional tiliada, onde é possíel identificar os diferentes tipos de refinamento qe foram citados. Figra 3 - Malha comptacional.. Condições de Contorno, Iniciais e de Operação A condição de contorno de não desliamento foi tiliada em todas as paredes dos tbos. Como condição inicial tilio-se campos niformes de temperatra e elocidade, sendo esta igal à ero em ambos...1 bo Fechado A simlação nmérica foi realiada em regime transiente, com interalo de tempo de s e campo inicial de temperatra niforme de 18 C. O tempo físico total de simlação foi de 600 s. Como condição de corno do problema térmico, foi tiliada a condição de flo de calor niforme na calha sperior do tbo, eqialente a 41 W/m². A calha inferior foi considerada adiabática, assim como as etremidades inferior e sperior.

5 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p bo Aberto O tbo aberto foi simlado na condição de regime permanente e foi considerado m campo temperatra inicial de 300 K. Na etremidade sperior (seção transersal aberta), é assmida com condição de contorno hidrodinâmica de pressão constante, com entrada e saída lire de qantidades de massa pela mesma sperfície. A temperatra da massa qe entra no tbo é fiada em 300 K, enqanto qe a temperatra de saída é desconhecia a priori, ariando de acordo com as condições de operação. Para o problema térmico são tiliadas diferentes condições de contorno para os dois casos estdados. Em m é mantido m flo de calor niforme, igal a 989 W/m, na metade sperior da sperfície lateral, enqanto a metade inferior e a etremidade fechada são consideradas adiabáticas. No otro caso foi é tiliada a condição de contorno adiabática para o etremo fechado e de flo de calor ariáel em todo o perímetro do tdo. A fnção de distribição da radiação solar implementada como condição de contorno é mostrada na Fig RESULADOS Em m primeiro momento, pretende-se alidar a metodologia empregada atraés de comparação qantitatia e qalitatia. Assim, neste item são apresentados os resltados para o caso chamado de bo Aberto, no qal são apresentadas comparações qalitatias, atraés de resltados encontrados na literatra, e para o bo Fechado, onde o resltado nmérico qantitatio é comparado com resltado eperimentais. 3.1 bo aberto As Figs, 5(a-b) e 6(a-b) mostram contornos de elocidade em qatro seções transersais do tbo. De acordo com as escala de cores, pode-se identificar ma região de elocidade ero em toda a circnferência do tbo, o qe corresponde à condição de não desliamento implementada no modelo nmérico. Algmas obserações deem ser feitas qanto à qestão de elocidade ero: (a) obsera-se m amento da espessra dessa camada na base do tbo. Esta espessra está inersamente relacionada com a intensidade e localiação do flo de calor, assim como com a qantidade de moimento proocada por ele, ocasionando m desbalanço entre as forças de empo e as forças iscosas. Nestas figras as forças de empo são predominantes na metade sperior do tbo, principalmente entre a entrada e o meio deste, o qe pode ser inferido atraés das maiores elocidades ali encontradas. Por otro lado, as forças iscosas predominam jnto à parede da metade inferior do tbo; (b) ma e qe as forças de empo localiadas no topo do tbo proocam m moimento ascendente da massa e qe a força graitacional prooca a entrada de massa no tbo em moimento descendente, dee ocorrer ma região de cisalhamento entre os dois escoamento em contra-corrente. É esta região de cisalhamento qe pode ser obserada atraés das regiões de elocidade ero próimo ao meio do tbo. Figra 5 - Flo de calor constante no topo: (a) Bdihardjo et al. (007); (b) presente. 130

6 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p Os resltados da Fig. 5(a) e 6(a) são de Bdihardjo et al. (007), obtidas atraés do softare comercial Flent. Já os resltados da Fig. 5(b) e 6(b) são resltados obtidos pelos atores deste trabalho atraés do softare CFX, tiliando-se a mesma escala de elocidades do trabalho em comparação. Nestas figras pode-se obserar qe os campos de elocidade, entre ¼ e ¾ do comprimento são mito parecidos com aqeles apresentados por Bdihardjo et at. (007), tanto para o caso de flo de calor niforme no topo, Fig. 5(a-b), qanto para a condição de flo de calor ariáel, Fig. 6(a-b). Figra 6 - Flo de calor máimo com inclinação de 30 : (a) Bdihardjo et al. (007); (b) presente. Apesar da concordância erificada nas posições anteriormente citadas, obsera-se também qe há ma peqena diferença entre os resltados para em L=0. Estes atores creditam estas diferenças às diferentes formas de implementar a condição de contorno na entrada do tbo entre o Flent e o CFC. Bdihardjo et al. (007) tilio a condição de Open Sorce, com pressão constante e flo de entrada e saída de massa perpendiclar à sperfície aberta. O CFX não disponibilia a condição Open Sorce, mas disponibilia a condição a Opening, com algmas opções para massa e qantidade de moimento. Utilio-se a condição Pressre and Direction, com pressão relatia de 0 Pa, Opening emperatre igal a 300 K e flo de massa normal à sperfície. Otra condição diferente entre os modelos nméricos é o tamanho da malha comptacional. Bdihardjo et al. (007) tilio elementos, sendo 150 deles distribídos na direção longitdinal. Para as otras direções nada foi informado sobre número de elementos e distribição deles. Os atores do presente trabalho fieram algmas tentatias aleatórias de distribição desse número de elementos, porém sem scesso. Os resltados aqi apresentados só foram possíel com malhas bem maiores daqela informada pelo ator citado, embora tenham sido refinadas em todas as paredes (lateral, base e entrada), assim com no centro do tbo, região em qe ocorre cisalhamento entre o escoamento descente e ascendente. A Figra 7 mostra o campo de etor elocidade no centro do tbo. Nesta figra pode-se obserar claramente qe o cisalhamento entre o escoamento ascendente e descente ocorre na região central do tbo. Além disso, na representação do tbo inteiro, erifica-se qe as maiores estão próimas à saída do tdo. Nos detalhes A e B Fig. 7 pode-se obserar claramente o perfil de elocidade do escoamento ascendente, tanto qanto o do descendente. Mais precisamente no detalhe B, percebe-se a importância de m bom refinamento de malha no centro do tbo. Caso a malha comptacional não tiesse m refinamento adeqado, não seria possíel captrar gradientes adersos de elocidade com tantos detalhes. 3. bo Fechado A Figra 8 apresenta campos de temperatra em diferentes instantes de tempo (100, 00, 300, 400 e 600 s) para o caso de aqecimento do tbo nas condições citadas. Nestas figras pode-se obserar qe, com o passar do tempo, qantidades de massa com maior temperatra se deslocam a parte sperior do tdo. Fato este decorrente do empo casado pela diferença de massa específica, qe aria em fnção da temperatra. Apesar dessa condição bastante óbia, nem toda massa de maior temperatra está localiada na parte mais alta do tbo. Como pode se obserado nas figras, independentemente do instante de tempo, eiste ma estratificação térmica em das direções: ertical e longitdinal, sendo a primeira em fnção do empo e a segnda em fnção da qantidade de moimento qe possi a ága qe chega ao topo do tbo. Ao chegar nesta região, a ága encontra a parede, faendo-a mdar direção, ocasionando até m escoamento descendente, ocorrendo assim a estratificação longitdinal. 131

7 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p Figra 7 - Campo de etor elocidade no tbo aberto. (a) (b) (c) (d) (e) Figra 8 - bo fechado - eolção temporal do campo de temperatra. (a) 100 s; (b) 00 s; (c) 300 s), (d) 400 s e (e) 600 s. Pode-se obserar pela escala de temperatra da figra anterior qe, em apenas 600 s, algma parcela de ága amento até 9 ºC. No entanto, a maior parcela está nma temperatra poco sperior a inicial, e a temperatra média no interior do domínio comptacional foi de 93,88 K, o coincide com o alor obtido eperimentalmente para o caso do tbo fechado. 5. CONCLUSÕES O processo de conecção natral no interior de diferentes tbos eacados foi simlado nmericamente por CFD. O modelo nmérico tiliado é tridimensional e o estdo foi realiado em das condições de operação: permanente e transiente. Em regime permanente foram implementas nmericamente as mesma condições geométricas e de operação das apresentadas por Bdihardjo et al. (007), na condição de tbo aberto e com árias condições de radiação incidente. 13

8 Reista Brasileira de Energia Solar Volme III Número Deembro de 01 p Os resltados qantitatios e qalitatios desta implementação concordam com aqeles apresentados pelo referido ator. A metodologia nmérica tiliada também foi alidada com resltados eperimentais com tbo fechado. ambém neste caso, a comparação entre resltados indicam qe a metodologia nmérica é adeqada. Os resltados estimlam os atores a dar prossegimento na pesqisa e simlar diferentes condições de operação e também diferentes configrações de coletores para aprofndar o conhecimento sobre o comportamento destes eqipamentos. Agradecimentos O LABSOL é associado ao INC de Energias Renoáeis e Eficiência Energética da Amaônia. Os atores agradecem o apoio financeiro do CNPq - Conselho Nacional de Desenolimento Científico e ecnológico do Brasil. REFERÊNCIAS Bdihardjo, I., Morrison, G. L. Behnia, M. Natral circlation flo throgh ater-in-glass eacated tbe solar collectors. Solar Energ, 81 (007), Cabanillas, R. E., Estrada, C. A, Aila, F. A deice for measring the anglar distribtion of incident radiation on tblar solar collectors. Reneable Energ, Vol. 6, No. 7 (1995) Manea,. F., Rosa, F. N., Perin, A. P., Kreninger, A. Determinação de parâmetros de desempenho para coletores solares tblares a áco. IV Conferencia Latinoamerina de la ISES, Csco, Per, 010. Morrison, G. L., Bdihardjo, I., Behnia, M. Measrement and simlation of flo rate in a eacated tbe solar ater heater. Solar Energ, 78 (005), Speer, E., Solar energ collection ith eacated tbes. J. Eng. Poer 86 (1965) Zambolin, E., Del Coll.D. Eperimental analsis of thermal performance of flat plate and eacated tbe solar collectors in stationat standard and dail conditions. Solar Energ 84 (010) SUDY OF HE BEHAVIOR OF UBULAR EVACUAED SOLAR COLLECORS OPERAING IN DIREC RANSFER Abstract. Solar liqid heating sstems sing eacated tbe collectors crrentl hae a better performance than flat plate collectors for high temperatre operation. his is de to redced conection heat losses, as a reslt of the acm laer beteen the inner and oter tbes. he solar collectors ith eacated tbes are a noelt in Brail, in addition, its se on a commercial scale is less than 10 ears and there are man qestions to be ansered abot their se and efficienc. o get a better nderstanding of the operation of this eqipment it as started a cooperation std program beteen the NEE - UNISINOS (hermal and Energ Std Center of Uniersit of Vale do Rio dos Sinos) and LABSOL-UFRGS (Solar Energ Laborator of Federal Uniersit of Rio Grande do Sl). he methodolog consists in the nmerical simlation b CFD (Compter Flid Dnamics) and its alidation throgh comparison of nmerical and eperimental reslts. he reslts of elocit fields and mean temperatre indicate that the methodolog is qite adeqate. Ke ords: Solar Energ, Eacated tbe, CFD 133