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Coletor Solar de Placas Planas Ranyer Soares de Oliveira R.A. 092768 Mauro Oliveira Borges Júnior R.A. 092381 Cássio Dias Goes R.A. 090730

Coletor Solar de Placas Planasphoenics/EM974/PROJETOS/PROJETOS 2...Transmissão de calor: Condução, convecção e radiação Parte absorvida, refletida e transferida ao fluido Custo

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Coletor Solar de Placas Planas

Ranyer Soares de Oliveira R.A. 092768

Mauro Oliveira Borges Júnior R.A. 092381

Cássio Dias Goes R.A. 090730

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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

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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

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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

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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

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A partir dos dados do fabricante:

Fluxo mássico -> 𝑚 = 𝑄 ∗ ⍴ = 0,044𝑘𝑔

𝑠

Diâmetro -> 𝜋.𝐷2.𝐿

4= 2,1. 10−3 𝑚3

Velocidade média -> 𝑉𝑚 =4𝑚

𝜋𝐷2𝜌 = 0,04365 m/s

Inclinação -> Cidade de Campinas em relação ao Norte (23°) + 10°

Cálculos

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Formas de troca de calor com o meio:

Fenômenos Físicos

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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

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Cavidade interior: Cálculo de Rayleigh (Turbulento se maior que 50000)

Troca de calor coletor/ambiente (encontrar h)

Determinar Nusselt -> 𝐍𝐮𝐋 = 0.664ReL12 Pr

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Coeficiente de convecção -> 𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐 =𝑁𝑢𝐿𝑘

𝐿

Coeficiente de radiação -> 𝐡𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚çã𝐨 = εσ Tvidroext + Tamb Tvidroext

2 + Tamb2

Coeficiente equivalente -> 𝒉𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒉𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐 + 𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐

Formulação do problema

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Troca de calor coletor/água

Calcular Reynolds -> Laminar plenamente desenvolvido

Seção do tubo circular -> 𝒉á𝐠𝐮𝐚 =𝑘𝑁𝑢

𝐷 = 65

𝑊

𝑚2 𝐾

Radiação Placa de cobre/Placa de vidro

Segundo Incropera: 𝑄𝐼𝑟𝑟 =𝐴𝜎 𝑇1

4−𝑇24

1

𝜀1+

1

𝜀2−1

Formulação do problema

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Modelagem Phoenics

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Força gravitacional: Decomposição em x e y

Iteração Phoenics: 2000

Malha: Equilíbrio de tempo e descrição do problema

Modelagem Phoenics

X Y Z

Domain Size 2.0000 0.0210 0.3300

Number of cells 100 37 1

Power 1 1 1

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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 287,788661

7

287,788661

7

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

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Perfil de velocidade

Convecção natural -> Sentido anti-horário

Atrito com as paredes

Resultados

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Perfil de temperatura

Temperatura média na placa de vidro: 27,1 °C

Temperatura média na placa de cobre: 40,17°C

Resultados

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Representação das trocas de calor no coletor

Eficiência:

𝜂 =𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑙𝑎 água

𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒

𝜂 =585.32 𝑊

660 𝑊

𝜂 = 88,68%

Resultados

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Fenômeno de transferência de calor

Eficiência real menor que 80%

Eficiência calculada 88,68%

Modelo computacional

Conclusão