8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECÂNICA Cuzco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECÂNICA Cuzco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ESTUDO EXPERIMENTAL DA EFICIÊNCIA DE CAPTAÇÃO DE CALOR PARA CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO EM FUNÇÃO DO PROJETO DO TUBO ABSORVEDOR Vitor Luiz Rigoti dos Anjos *, Rogério Ramos º, Johannes Coradini Gasparini º º * Universidade Federal do Espírito Santo UFES Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Av. Fernando Ferrari, 514, Goiabeiras, Vitória, ES, CEP * vitorlranjos@yahoo.com.br RESUMO O artigo apresenta a comparação da taxa de transferência de calor para um fluido de trabalho operando em um concentrador solar parabólico experimental utilizando diferentes arranjos para o tubo absorvedor. Neste estudo, especificamente, são descritas e testadas duas configurações distintas de tubos absorvedores instalados sobre o foco de um concentrador solar parabólico. O fluido de trabalho é aquecido e a potência absorvida é comparada com a aquela irradiada pelo sol para o escoamento operando tanto em circuito aberto quanto em circuito fechado. Tal análise é parte de um projeto principal, cujo objetivo é obter uma forma de redução da perda de carga em escoamentos de óleos pesados utilizando uma fonte alternativa de energia. PALAVRAS CHAVE Energia solar, óleo pesado, concentrador parabólico, fontes alternativas.

2 INTRODUÇÃO A crescente escassez de recursos energéticos naturais, como o petróleo e o carvão, associada ao aquecimento global devido a queima destes combustíveis fósseis, vem estimulando o desenvolvimento de novas fontes de energia, com ênfase às renováveis e não poluentes. Nesta categoria está incluída a energia solar, que é uma forma de energia limpa e abundante na natureza. Sua utilização tem crescido cada vez mais em aplicações residenciais ou de pequeno porte, embora ainda seja muito pouco utilizada nos meios industriais. Apesar de o Brasil ser um país intertropical, a média de irradiação em seu território varia entre, aproximadamente, 400 a 700 W/m² [1], em contraste com outros países situados em latitudes próximas como, por exemplo, a Austrália, que possui taxas de irradiação em torno de W/m² nas áreas mais desérticas. A Fig. 1a mostra essa distribuição de irradiação solar para as diversas regiões do globo, conhecido como cinturão solar. Em determinadas regiões do país há ocorrência freqüente de dias de céu claro, como é o caso do norte do estado do Espírito Santo e dos estados da região nordeste, onde também se verifica a produção de petróleo na categoria de óleos pesados e extra-pesados. Devido a isso, o desenvolvimento e aperfeiçoamento de tecnologias para a utilização de energia solar para aquecimento nos processos de exploração e transporte de derivados de petróleo pode ser uma forma de diminuir os gastos com a produção e operar de maneira ecologicamente correta permitindo ainda a sua aplicação em outras atividades industriais. Assim, apresenta-se como motivação para estudos a necessidade de transportar petróleo das áreas produtoras até os setores de armazenagem e posterior refino que, associada ao crescimento da produção nacional, torna imperativa a otimização da operação de oleodutos, visando a redução dos custos tanto da operação propriamente dita, quanto da manutenção, fornecendo uma opção de aquecimento em regiões remotas não atendidas pela rede elétrica convencional. Desse modo, o intuito deste projeto é desenvolver uma nova tecnologia de redução do consumo energético de bombeamento de óleos pesados com aproveitamento da energia solar, embora sejam demonstrados apenas resultados parciais desse grande objetivo. O protótipo em circuito fechado proposto por este trabalho é mostrado na Fig. 1b. (a) (b) Figura. 1: a) Taxa de irradiação para diversas regiões do globo; b) Croqui do sistema proposto (circuito fechado). REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O presente trabalho teve seu início com a publicação de uma simulação do aproveitamento de energia solar em oleodutos [2], que co-substanciou e motivou a continuação do projeto de forma experimental. Dentre as bibliografias atualizadas de maior contribuição para o projeto destaca-se o trabalho desenvolvido por Su e Estefen[3], onde se propõe o aquecimento por eletricidade de oleodutos submarinos multicamadas utilizados no transporte de óleos pesados (risers), com a finalidade de avaliar a queda de pressão entre o poço e o separador e a potência requerida pelo processo. Nas simulações teóricas conseguiu-se uma significante redução da queda de pressão e a conseqüente redução da potência de bombeamento. No caso, foram obtidas reduções de potência de 10 a 31,1%.

3 O trabalho desenvolvido por Wang et al [4], no qual se investigou experimentalmente trocadores de calor para aquecimento de óleo cru usando energia solar, veio a fortalecer a idéia do presente projeto, tendo em vista os resultados obtidos. Naquele trabalho conseguiu-se elevações de temperatura do óleo de 25º a 30ºC, utilizando para a captação de energia os coletores solares planos, que normalmente fornecem temperaturas de operação inferiores àquelas obtidas por concentradores solares parabólicos. Na concepção, projeto e montagem do presente concentrador solar e sistemas correlacionados, foram de crucial importância as notas sobre o curso de energia solar do Instituto Tecnológico y de Estúdios Superiores de Occidente (ITESO) [5] e o trabalho de Palz [6]. As notas sobre o curso de energia solar do ITESO fornecem informações detalhadas sobre os fenômenos envolvidos com sistemas de aproveitamento de energia solar bem como os tipos e suas respectivas aplicações. Já o trabalho de Palz traz informações e detalhes técnicos dos concentradores solar, como, por exemplo, métodos que visam aumentar a captação de calor. Muitos embasamentos teóricos sobre o assunto de energia solar foram obtidos também de Acioli [7]. Um trabalho com informações representativas e a ser utilizado em fases mais adiantadas do projeto principal, quando será proposto um processo de termo-acumulação de calor por mudança de fase é aquele publicado por Trp [8] no qual, além da modelagem adimensional dos fenômenos de solidificação e fusão de parafina, também é avaliada a variação da troca de calor com o Número de Prandtl. CARACTERÍSTICAS DO CONCENTRADOR SOLAR O protótipo construído pode ser dividido em três partes principais: o espelho parabólico propriamente dito, o tubo absorvedor e o sistema de circulação, que inclui bomba, tubos, isolamento térmico e a medição de temperatura e de vazão do fluido de trabalho. O espelho deve possuir características específicas muito bem definidas, de forma a otimizar a reflexão da energia solar para o foco da parábola, cuja forma e equação são vistas na Fig. 2. Figura. 2: Dados geométricos da curva parabólica selecionada para o espelho, onde o foco F = 0,2 m. Assim, tanto o projeto quanto a construção do espelho devem obedecer a critérios rígidos, de forma a se obter no final da construção uma curva que represente de fato a parábola projetada. O espelho deve ser montado em uma estrutura basculante e rígida o bastante para que mantenha a forma da parábola durante as operações de posicionamento e basculamento. A fim de se obter a forma parabólica foi construído um berço em madeira possuindo apoios com o formado projetado, conforme visto na Fig. 3a. Como superfície refletora (espelho) foi utilizada uma placa de aço inoxidável espelhada por possuir boa refletividade. O conjunto chapa e berço possuem dimensões w = 1m (largura), l = 2m (comprimento) e A PROJ = 2m² (área projetada). O espelho é completado com a instrumentação para posicionamento em relação ao sol, tal como transferidor, ponteiro solar, relógio solar, heliógrafo, bússola e uma base móvel a qual visa facilitar o transporte. Os dados obtidos por essa instrumentação garantem que os testes a serem analisados foram realizados com condições atmosféricas similares, porém tais dados não serão apresentados no artigo. Nesse trabalho também não será feita nenhuma análise para se otimizar a operação do espelho, que será utilizado em todas as medições relacionadas ao tubo absorvedor. A Figura 3b mostra o concentrador solar montado e em operação. Para a realização dos testes desse artigo, são utilizados os circuitos aberto e fechado de circulação de água. O primeiro se resume a um circuito onde água fria é fornecida da rede de abastecimento e, no segundo, a água vêm de um reservatório termicamente isolado e para ele retorna. São medidas a vazão e as seguintes temperaturas: T1 temperatura de entrada no tubo absorvedor, T2 temperatura de saída do tubo absorvedor e T3 temperatura de retorno da água ao interior do laboratório; a Fig. 4 mostra o desenho esquemático do sistema de circulação. A opção

4 da operação com o fluido de trabalho em circuito aberto objetiva a caracterização da máxima diferença de calor que poderia ser obtida com o conjunto, partindo da água mais fria na entrada do concentrador solar. (a) (b) Figura 3: a) Processo de montagem do berço de madeira com os apoios parabólicos; b) Concentrador solar montado e em operação. Figura 4: Desenho esquemático do circuito aberto do fluido de trabalho. As mangueiras de borracha usadas antes e após o tubo absorvedor são revestidas por isolante, evitando-se assim maiores perdas térmicas para o ambiente. Por sua vez, o tubo absorvedor que é instalado no sentido Norte-Sul, deve possuir boas características de transferência de calor. Assim, foi selecionado um tubo comercial de cobre com D I = 0,01905 m (diâmetro interno) e l T = 2 m. As paredes finas permitem uma reduzida resistência térmica de condução. Porém o tubo absorvedor, que fica exposto a atmosfera, proporciona convecção forçada promovida pelo vento, reduzindo assim a transferência de calor para o fluido de trabalho. A otimização do projeto desse tubo é o objeto da presente análise. Inicialmente foram propostos e construídos os seguintes arranjos para o tubo absorvedor, conforme Fig. 5: Tubo1: Tubo negro exposto a atmosfera; Tubo2: Tubo negro recoberto com tubo de vidro. d = 19,05 mm Vidro Cobre d 25,4 mm Tubo1 Tubo2 Figura 5: Seção transversal de cada arranjo para o tubo absorvedor - Tubo1 e Tubo 2.

5 Tubo1 é o arranjo básico inicial, mas que intuitivamente promove a maior perda de energia por convecção para a atmosfera, pelo fato de não ter proteção contra a troca de calor por convecção e radiação. Tubo2 promove um isolamento térmico entre o tubo de cobre e a atmosfera por estar confinado no interior de um tubo de vidro, embora ainda promova trocas térmicas de radiação e convecção, porém de forma reduzida. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Os experimentos foram conduzidos nos dias 21 e 22/04/2006 (respectivamente Tubo1 e Tubo2) para o circuito aberto, e nos dias 19 e 26/03/2007 (respectivamente Tubo2 e Tubo1) para o circuito fechado, com condições atmosféricas semelhantes em termos de temperatura ambiente, umidade relativa do ar, e níveis de irradiação solar direta, para fins de comparação entre os diferentes arranjos. O espelho tem seu eixo principal na direção Norte-Sul e é basculado manualmente a cada 15 minutos no sentido Leste-Oeste. Durante os testes do circuito aberto foi utilizada uma vazão de água constante de 1,25 ml/s, que é monitorada e controlada por um rotâmetro. Devido à baixa vazão fez-se necessário o uso de sifões, na entrada e saída do tubo absorvedor, a fim de garantir completo preenchimento do tubo pelo fluido de trabalho e o conseqüente aumento da troca térmica entre a parede interna do tubo e água. Alguns dos principais dados coletados durante os testes (T1, T2, W DISP. ) e os resultados obtidos (W) estão mostrados de forma resumida nas Tabelas 1, 2 e 3, para cada instante. Nestas, W DISP. é a potência instantânea disponível da radiação global incidente sobre a área projetada do espelho, e W é a potência instantânea absorvida pela água, tal como nas equações (1) e (2). W = m& cp (T 2 T1) (1) WDISP. = I SOL. A (2) PROJ. Na Eq. 2, I SOL é a radiação solar global [W/m²]. O valor da radiação global disponível nos experimentos de circuito aberto é oriundo do software RADIASOL [9], que simula os valores de radiação solar para várias cidades do país, incluindo Vitória-ES, em cada dia do ano, já que na época não foi possível acessar dados reais. Para os experimentos de circuito fechado, foram usados os dados de radiação global disponível fornecidos na página eletrônica do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) [10] e cuja estação automática situa-se a poucos metros do local de realização dos experimentos e que estava operacional na época. A potência instantânea disponível é calculada a partir da radiação direta incidente sobre a área projetada do espelho, pois este tipo de concentrador solar não aproveita a radiação difusa com tanta eficiência, tal como nos coletores solares planos. O valor da eficiência dos tubos absorvedores η é dado por: η = W W DISP. Tabela 1: Resultados e dados para o arranjo Tubo1 em circuito aberto (21/04/2006) Hora T1 (ºC) T2 (ºC) W (Watts) W DISP. (Watts) η (%) 11: , ,72 12: , ,72 12: , ,02 13: , ,17 13: , ,76 14: , ,52 média: 34 73,7 207,3 1427,2 14,32 Tabela 2: Resultados e dados para o arranjo Tubo2 em circuito aberto (22/04/2006) Hora T1 (ºC) T2 (ºC) W (Watts) W DISP. (Watts) η (%) 11: , ,66 12: , ,57 12: , ,48 13: , ,88 13: , ,57 14: , ,47 média: 37,7 91,7 282,2 1444,2 19,61 (3)

6 Tabela 3: Resultados e dados para o arranjo Tubo1 em circuito fechado (23/03/2007) Hora T1 (ºC) T2 (ºC) W (Watts) W DISP. (Watts) η (%) 09: , ,5 10: , ,0 10: , ,1 11: , ,0 12: , ,7 12: , ,7 média: 34,3 64,8 159,3 1432,2 11,7 Tabela 4: Resultados e dados para o arranjo Tubo2 em circuito fechado (19/03/2007) Hora T1 (ºC) T2 (ºC) W (Watts) W DISP. (Watts) η (%) 10: , ,8 11: , ,8 11: , ,2 12: , ,4 12: , ,2 13: , ,4 13: , ,4 média: 35,1 83,1 251,5 1494,6 16,9 Os dados presentes nas Tabs. 1 a 4 permitem a comparação entre as eficiências de absorção de energia em cada um dos experimentos. Nota-se que a parcela de calor perdida para o ambiente por convecção é considerável no arranjo Tubo 1 em relação ao Tubo2, que apresentou maior eficiência durante todo o período de teste, principalmente no intervalo de tempo em que as taxas de radiação tendem a diminuir, após o período das 13:00 horas. Além disso, a baixa vazão de água, que resulta em Números de Reynolds muito baixos (Re D << 2.300), mantém o escoamento laminar durante todo processo, reduzindo assim o coeficiente de convecção no interior do tubo absorvedor. ANÁLISE E CONCLUSÕES A comparação entre as eficiências de absorção de energia obtidas pelos dois diferentes arranjos de tubos absorvedores em circuito aberto e fechado é mostrada na Fig. 6. Notou-se que os dados fornecidos pelo software RADIASOL embora úteis, dependem de ajustes para melhor simular a irradiação real, quando são comparados com aqueles medidos e disponibilizados pelo INMET. Essa comparação não é demonstrada neste texto. Sendo assim, a diferença dos dados de irradiação são indicados como uma das causas da visível diferença entre as eficiências de absorção e da inesperada eficiência superior do circuito aberto. Analisando as Tabs. 1 a 4, observa-se que no experimento de circuito aberto a água entra no tubo com temperatura mais alta do que no circuito fechado, em média. Isso se deve ao fato de que, no circuito fechado a água passa por uma tubulação termicamente isolada ao retornar ao tubo absorvedor, enquanto que no circuito aberto a tubulação exposta ao sol não possuía tal isolamento na época dos experimentos (que estava em processo de aquisição). Desse modo, a operação dos dois arranjos não ocorreu sob as mesmas condições, prejudicando sua comparação através dos valores efetivamente medidos. Porém, esse comportamento certamente não é aquele esperado em uma comparação do circuito aberto vs. circuito fechado e necessita de um período maior de aquisição a fim de ser devidamente avaliado.

7 Eficiência (%) Tubo1 em circuito aberto Tubo2 em circuito aberto Tubo1 em circuito fechado Tubo2 em circuito fechado 0 09:07 10:19 11:31 12:43 13:55 15:07 Hora Fig. 6: Comparação da eficiência obtida com os dois arranjos de tubo absorvedor. Conforme esperado, o arranjo Tubo1 apresentou o rendimento menor em relação ao Tubo2 que obteve rendimento de até η = 23,8%, indicando a importância do uso de um tubo de vidro para diminuir as perdas térmicas para a atmosfera em qualquer tipo de circuito. Julga-se que tenha sido criado um pequeno efeito estufa na região anular entre os tubos de vidro e de cobre, devido às propriedades de transmissão de radiação através do vidro. O basculamento manual em nada alterou os resultados, visto que o mesmo verificou a informação de Palz [6] sobre a rotação de 15 por hora para concentradores parabólicos orientados na direção Norte-Sul. A Fig. 7 mostra os ângulos de basculamento do concentrador em cada instante para ambos os circuitos e a reta média, na qual y B é o ângulo (positivo para Oeste, negativa para Leste) e x B é a fração do dia. ÂNGULO yb = 354,04 xb - 185,69 R 2 = 0, HORA 08:52 10:04 11:16 12:28 13:40 14:52 16:04 Figura 7: Gráfico da média das medidas dos ângulos de basculamento e respectivo ajuste de curva TRABALHOS FUTUROS A idéia de otimizar a troca térmica para o fluido de trabalho ainda é vislumbrada como uma boa prática de engenharia e deve ser implementada de forma mais eficiente, utilizando aletas piniformes de cobre engastadas ao longo da parede interna do tubo. Tal construção deve oferecer uma eficiência melhor quando utilizada em conjunto com o arranjo Tubo2 (isolamento de vidro), além de promover uma melhor misturação (turbulência) do fluido de trabalho. Esse novo projeto já está em fase final de construção, bem como o circuito fechado para o fluido de trabalho, que aproveita melhor as parcelas de calor desperdiçadas no circuito aberto. A eficiência pode ainda ser intensificada através de um melhor ajuste do formato do espelho, tendo em vista a maneira extremamente artesanal com que foi construído e, portanto, ainda passível de muitos aperfeiçoamentos até se conseguir uma forma mais aproximada de uma parábola ideal. A consolidação do objetivo principal do projeto se realizará com a construção do circuito secundário de óleo, tal como citado na introdução deste artigo.

8 AGRADECIMENTOS A equipe do projeto agradece à Fundação de Apoio a Ciência e Tecnologia do Espírito Santo FAPES, através do processo /05, com termo de outorga 0031/05 e a Petrobras pelo pagamento de bolsas de estudo e apoio financeiro. Agradecimentos especiais são endereçados ao Sr. José Augusto Lopes por seus conselhos, sua solidariedade e árduo trabalho durante montagens importantes ao projeto. REFERÊNCIAS 1. E. Cometta, Energia Solar: Utilização e Empregos Práticos, capítulo 1, Hemus, São Paulo, R. Ramos, J. C. Gasparini e M. V. Cardoso, Análise da Redução da Perda de Carga em Escoamentos de Óleos Pesados por Termo-Acumulação Utilizando Energia Solar, Anais do XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - CREEM, vol. 1, pp , Ilha Solteira, São Paulo, J. Su e S. Estefen, Thermal-Hydraulic Analysis of Heavy Oil Transportation in Heated Sandwich Pipelines, Proceedings of 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Junho, Halkidiki, Grécia, X. Wang, W. Ruzhu e J. Wu, Experimental Investigation of a New-Style Double-Tube Heat Exchanger for Heating Crude Oil Using Solar Hot Water, Applied Thermal Engineering, vol. 25, pp , ITESO Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente, Notas Sobre El Curso de Energía Solar, Editora Tlaquepaque, Jalisco, W. Palz, Energia Solar e Fontes Alternativas, capítulo 5, Editora Hemus, São Paulo, J. L. Acioli, Fontes de Energia, capítulo 6, Editora Universidade de Brasília, Brasília, A. Trp, An Experimental and Numerical Investigation of Heat Transfer During Technical Grade Paraffin Melting and Solidification in a Shell-and-Tube Latent Thermal Energy Storage Unit, Solar Energy, vol. 79, pp , RADIASOL Sistema de Radiação Solar, versão 2, Laboratório de Energia Solar da UFRGS, < Acessado em 17 de abril de INMET Instituto Nacional de Meteorologia, dados automáticos de radiação solar, < Acessado em 30 de março de F. P. Incropera, D. P. DeWitt, Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 4ª ed., Editora LTC, Rio de Janeiro, UNIDADES E NOMENCLATURAS F foco da parábola (m) w largura da parábola (m) l comprimento da parábola (m) A PROJ área projetada da parábola (m 2 ) D I diâmetro interno do tubo absorvedor (m) l T comprimento do tubo absorvedor (m) T1 temperatura da água na entrada do tubo absorvedor ( C) T2 temperatura da água na saída do tubo absorvedor ( C) T3 temperatura da água no retorno ao laboratório ( C) W DISP potência instantânea disponível da radiação global incidente (W) W potência absorvida pela água (W) m& vazão em massa de água (kg/s) I SOL irradiação solar global (W/m²) c P calor específico da água a pressão constante (J/kg K) (c P =4.177 J/kg K) Re D número de Reynolds do escoamento interno ao tubo absorvedor (adimensional) Nu D número de Nusselt do escoamento interno ao tubo absorvedor (adimensional) η eficiência de absorção de calor dos tubos absorvedores (adimensional) h coeficiente de convecção da água (W/m² K) k coeficiente de condução da água (W/m K)