V Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE PROJETO NO FUNCIONAMENTO DE AQUECEDORES SOLARES COM COLETOR/ARMAZENADOR INTEGRADOS

Flávio Bréglia Sales Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Vicente Luiz Scalon Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

RESUMO

Nas atuais condições e em meio à uma preocupação crescente com o meio ambiente,

fontes renováveis de energia estão diretamente associadas à capacidade de desenvolvimento

mundial. A energia solar destaca-se dentre estas fontes pois cumpre este papel através de

diferentes tecnologias: células fotovoltaicas e de sistemas de captação da energia térmica

solar. O sistemas domésticos de água quente representam, atualmente, um dos meios mais

eficientes para reduzir o consumo de energia não renovável em função do avançado estágio

tecnológico em que se encontra. Uma das maiores dificuldades de implementação deste

sistema é o seu custo inicial elevado e que faz com que um grande número de pessoas

desistam de sua instalação. No sentido de reduzir este custo, tem ganho importância a

tecnologia de sistemas com coletor solar e armazenador térmico integrados (ICS). Este

trabalho se propõe a analisar o comportamento geral do sistema durante o processo de

carregamento, incluindo as perdas de calor por convecção e o movimento de circulação do

fluido. Para este fim, serão avaliadas geometrias distintas disponíveis na literatura e também

propostas realizadas com a finalidade de otimizar o sistema: Cubóides com diferentes

parâmetros de tamanho e também com alterações na sua estrutura. Com base nestas

geometrias serão avaliados alguns parâmetros de projeto e determinados como estes

parâmetros influenciam na eficiência geral do dispositivo.

PALAVRAS-CHAVE: Coletor integrado, Fluent, Elementos Finitos, CFD.

1. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento da humanidade sempre esteve associado a sua capacidade de produzir

energia. Exemplo disto são largamente vistos desde a nossa pré-história, apenas para citar

alguns dos mais importantes eventos desta história: o domínio do fogo, a utilização da força

animal, a capacidade de produzir trabalho a partir da energia térmica. Este último inclusive

propiciou a chamada “Revolução Industrial”, que tem particular importância no grande

desenvolvimento da humanidade nos último séculos.

Este grande desenvolvimento fez com que fontes de energia fossem pesquisadas em

todas as suas possibilidades. Tanto que, no final do século XIX, aparecem importantes estudos

para utilização da energia solar para aquecimento e geração de potência. Entretanto, o elevado

custo para a exploração das fontes alternativas de energia em relação aos combustíveis fósseis

fez com que a maioria destes estudos fosse abandonada tornando petróleo e carvão mineral as

principais fontes de energia do século XX.

O acelerado processo de desenvolvimento teve um como um dos seus grandes

problemas a primeira Crise do Petróleo, ocorrida no início dos anos 70 quando acreditou-se

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que o petróleo – principal fonte de energia mundial – estivesse a beira de um esgotamento

completo. Em função disto, houve um grande aumento de preço da energia e,

conseqüentemente, tornou viável a exploração das fontes alternativas de energia que tinham

sido abandonadas em função do custo.

Esta crise passou com um grande número de descobertas de novas jazidas de petróleo

e o alongamento dos horizontes do esgotamento desta importante matéria prima e os preços

do petróleo declinaram consideravelmente. Apesar disto, pouco tempo depois, um novo

problema relacionado ao desenvolvimento e utilização de recursos não renováveis começa a

aparecer: a questão ambiental.

Embora uma série de problemas tenham sido relatados em função do acelerado

desenvolvimento e utilização dos recursos naturais, como problemas com a camada de ozônio

e outros, a grande questão que se coloca na atualidade é o chamado “Efeito Estufa” associado

a emissão de Dióxido de Carbono e alguns outros gases para a atmosfera. A identificação do

problema é de longa data, mas o seu marco inicial, que serviu para chamar a atenção da

sociedade para o problema, pode ser definido como a primeira conferência sobre o clima

organizada pela World Metheorological Organization (WMO) em 1979. A partir daí uma série

de levantamentos foram feitos com novos indicativos do problema e que levaram a ONU a

montar o Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (Intergovernmental Panel on

Climate Changes – IPCC) e tentar através de protocolos regulamentar uma solução para o

problema.(PACHAURI, 2004).

Os estudos realizados mostraram que uma série de fatores contribuíram para o “Efeito

Estufa”, um dos principais é a queima de combustíveis fósseis. Tanto assim que o Protocolo

de Kyoto estabeleceu um sistema de créditos carbono em que os países que emitem muito

Carbono para a atmosfera devem encontrar meios ou financiar projetos que fixá-los

novamente. Sendo assim a queima de combustíveis fósseis está associada a utilização de

reservas de carbono que se encontram fixadas a uma longa data e, portanto, implicam no

aumento significativo da concentração de carbono na atmosfera. Fontes Renováveis de

Energia não usam Reservatórios de Carbono, pois energias eólica, solar e hidráulica não estão

associadas a emissão de carbono e a biomassa que efetivamente emite carbono necessita, para

sua produção, de fixar o carbono da atmosfera.

A preocupação com as condições de vida do planeta, deu nos últimos anos um forte

impulso para a utilização das fontes renováveis, mas muito mais ainda pode ser feito. Sendo

assim, o uso da energia do sol que chega a superfície da Terra representa um importante

avanço no sentido de contribuir para a melhora da situação atual. Desta forma um uso mais

intenso do uso de aquecimento solar reduziria, no caso do Brasil, reduziria o consumo de

eletricidade e, conseqüentemente, reduziria a dependência de gás natural – a fonte

normalmente utilizada para complementar a produção de energia elétrica no país.

A energia solar devido à sua facilidade de aplicação é bastante utilizada e estudada,

principalmente para baixar os custos dos equipamentos utilizados. Smyth et al (2004) mostra

o histórico da evolução do sistema com coletor/armazenador integrado (ICS – Integrated

Collector Storage), que é uma das formas de aproveitamento energético solar então

considerada de custo menor. Assim, essas concepções do sistema com coletor/armazenador

integrados desenvolvidas, demonstraram resultados satisfatórios quanto ao menor custo de

acordo com Kalogirou (1997) e sua proposta de design e construção de um modelo de ICS.

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Outro trabalho que demonstrou o menor custo do sistema ICS foi apresentado por Chaurasia e

Twidell (2000), sendo sugerido principalmente para aplicações domésticas.

Partindo da idéia de que o sistema ICS era mais barato, um maior número de estudos foram

feitos para o aperfeiçoamento do sistema. Foi visto em Chaurasia e Twidell (2000), que a

grande limitação para o rendimento desse sistema ICS era a perda de calor do fluido em

períodos de não coleção, tornando necessário cobrir o tanque de armazenamento com um

material isolante extra e dessa forma os autores decidiram comprar dois modelos de ICS com

materiais isolantes diferentes, verificando que o material transparente era mais eficiente;

seguindo ainda essa linha de melhorias nos sistemas foram desenvolvidos revestimentos

internos para se obter uma maior retenção do calor coletado, conforme Smyth et al. (1999).

A idéia de se colocar um revestimento no sistema foi fortalecida com as mudanças nas

geometrias do revestimento segundo Smyth et al. (2003), buscando uma otimização desse

novo sistema, capaz de reter uma quantidade de calor por mais tempo.

Tripanagnastopoulos e Yanoulis (1996) partiram para uma abordagem diferente, também

buscando uma melhoria do conjunto. Eles desenvolveram um um coletor solar com espelhos

simétricos e assimétricos denominado sistema CPC otimizando o conjunto óptico para

aumentar a absorção da radiação solar.

Uma modificação bastante eficiente foi obtida no protótipo construído por Mohamad (1997),

onde um diodo térmico foi utilizado para evitar a circulação reversa no período noturno, e a

avaliação da performance do sistema foi feita através de um modelo matemático. Esse

protótipo de ICS demonstrou uma eficiência comparável aos sistemas de aquecimento

convencionais.

Seguindo a linha de modificações em geometrias, Mohsen e Akash (2002), obtiveram um

aumento na eficiência de 50% para 59 % devido a inclusão de aletas na placa absorvedora, no

lado da água.

Kaushika e Banarjee (1983) analisaram o sistema do tipo cubóide (flat-plate) e Sridhar &

Reddy (2006) fizeram uma análise transiente desse, demonstrando a variação do coeficiente

de troca de calor e o fator de estratificação da temperatura em função das mudanças na

inclinação do sistema e também na profundidade do cubóide, o que influencia diretamente na

quantidade de calor perdido pelo sistema.

Gertzos et al (2008) estudou e analisou um sistema ICS com trocadores de calor utilizados

para aquecer a água em circulação como alternativa para baratear também os custos de ICS.

Em seu outro artigo, Gertzos e Caouris (2008)2 mostrou o melhor arranjo desse sistema com

trocadores de calor. Outro ponto importante no estudo de Gertzos foi a validação de seu

modelo numérico CFD em relação ao protótipo construído, mostrando boa precisão do

método computacional.

Este trabalho, seguindo a linha dos estudos anteriormente apresentados, se propõe a analisar o

comportamento do fluido no interior dos sistemas coletor/armazenador destacados e avaliar a

sua capacidade de produzir água quente. Para isto será montado um modelo numérico e

avaliado o comportamento do sistema utilizando a simulação numérica em pacote

computacional. Mudanças de projeto e seus reflexos sobre o comportamento geral do sistema

também serão avaliados.

A fluidodinâmica computacional (CFD) foi escolhida como método devido à sua

crescente utilização para solução de problemas na área de Engenharia Térmica, como mostram

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artigos recentes encontrados durante a revisão bibliográfica realizada para embasamento do

projeto.

2. METODOLOGIA

Para a simulação numérica serão utilizadas as geometrias de sistemas encontradas na literatura

em trabalhos de Gertzos et al (2008) além de modificações que serão propostas .

O sistema a ser avaliado consiste em uma geometria denominada cubóide e que, inclusive, já

podem ser vistos alguns dispositivos comerciais em operação no Brasil. Esta geometria,

acopla diretamente um reservatório na forma de semi-esfera a uma geometria similar à de um

coletor plano como mostra a figura 1 . Os dispositivos deste tipo são feitos em geral utilizando

polímeros e indicados para pequenas elevações de temperatura de água. Operando desta

forma, estes sistemas necessitam de um aquecedor complementar na maior parte do tempo e,

neste caso, apenas auxiliam na diminuição do consumo de energia.

Figura 1: Sistema acoplado na forma “cubóide” (Gertzos et al, 2008)

Os modelos numéricos são utilizados com dimensões similares às propostas nos

trabalhos originais variando apenas em parâmetros usado na otimização de seu projeto. Para

situações muito complexas e que exigem malhas extremamente refinadas, pode-se optar por

simplificações para a obtenção de resultados aproximados. O coeficiente de película para

troca de calor por convecção com o meio será estimado por meio de parâmetros usuais em

projetos de dispositivos de captação solar. As temperaturas iniciais e ambientais também serão

estimadas baseadas em parâmetros ambientais médios da região estudada - Bauru(SP).

A energia incidente sobre o coletor é outro parâmetro importante para a operação de

um coletor solar. A determinação do ângulo solar em função da hora do dia assim como da

intensidade da radiação solar definirão, efetivamente, o total absorvido em cada dispositivo.

Entretanto, em função deste trabalho estar voltado para a comparação do funcionamento dos

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dispositivos, uma condição padrão média de intensidade da radiação e ângulo solar serão

mantidos fixos durante todo o teste realizado por simulação numérica, simplificando o

modelo.

A simulação numérica será realizada utilizando-se o software ANSYS-FLUENT®

para

solução da análise do comportamento do fluido e pós-processamento através do método dos

volumes finitos. A malha gerada para o modelo será feita através do pacote Hyperworks® . O

projeto será realizado com auxílio da General Motors do Brasil que possui uma versão

licenciada dos referidos softwares.

2.1 MALHA Para validação do modelo, inicialmente será feito um modelo 2D para buscar correlação com

o modelo de Gertzos et al (2008) fazendo as alterações propostas para otimização do sistema.

Posteriormente com os parâmetros determinados, será simulado um modelo 3D para estudo

do comportamento do sistema e também movimento do fluido, bem como sua movimentação.

A malha 2D utilizada para simulação inicial possui 31772 elementos minimizando a

necessidade da construção de uma camada limite para evitar efeitos indesejáveis conforme

figura 2.

Figura 2 – Malha do Cubóide

A validação do modelo numérico foi realizada comparando resultados obtidos na mesma

configuração (dimensões e condições de contorno) com os de SRIDHAR E REDDY (2007?),

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onde o modelo numérico correlacionava-se de maneira satisfatória com o protótipo

construído. A comparação entre os modelos do presente trabalho com a referência é

apresentada no gráfico abaixo.

Figura 3: Comparação dos resultados desse trabalho com a literatura mostrados por [Sridhar &

Reddy (2007)].

Assim sendo, a malha inicial utilizada foi de 3mm, e em seguida foram testados outros dois

tamanhos de elemento distintos: 1.5mm e 4mm confirmando a consistência da relação tempo

de processamento / precisão do modelo da malha de 3 mm, visto que o tempo de

processamento entre a malha de 1.5mm e 3mm foi reduzido em 50%.

Figura 4: Estudo de validação de malha

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2.2 PARÂMETROS TRANSIENTES Para simular o aquecimento solar variável ao longo do dia, será utilizado um fluxo de calor de

950 W/m² durante 2 horas; para simulação do resfriamento obtido durante o período de não

coleção, o fluxo de calor será de -20W/m².

3 RESULTADOS

ESTUDO DA TEMPERATURA MÁXIMA EM CADA GEOMETRIA APÓS O AQUECIMENTO

Mantendo-se as condições de contorno, a única modificação capaz de alterar os

resultados do sistema é a geometria. Partindo do modelo base estudado por SRIDHAR E

REDDY (2007), foram feitas alguma alterações na tentativa de aperfeiçoar o sistema na

obtenção e manutenção de altas temperaturas. Os resultados gráficos apresentando a distribuição de temperatura no período de

aquecimento estão nas figuras 5, 6, 7.

Figura 5: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento

Observando o gráfico na Figura 5 acima, notamos que as temperaturas máximas no

período de aquecimento alcançadas nos sistemas são muito parecidas tendo diferença menor

de 1K. Isso ocorre porque as dimensões da placa receptora são as mesmas, ou seja, a

quantidade de energia térmica que entra no sistema é a mesma e também o volume de água no

interior do sistema se mantém o mesmo. Para os sistemas com capacidade maior, é normal

notar que quanto maior a capacidade deles, menor é a temperatura máxima, já que o volume

de água à ser aquecida é maior.

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Figura 6: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento nas geometrias com

direcionadores e geometria com somente placa.

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Figura 7: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento nas geometrias com

maior capacidade e geometria com placa e direcionador

Analisando somente o período de aquecimento primeiramente, percebe-se uma pequena

diferença na região superior do armazenador e nesse caso, os sistemas com direcionador de

fluxo demonstram ligeira vantagem por possuir uma maior região de temperatura mais quente.

O sistema com placa e direcionador de fluxo tem um perfil de temperatura muito parecido

com o sistema que possui somente a placa e leva ligeira vantagem devido ao uso do

direcionador. A presença da placa separadora facilita o escoamento do fluido no interior do

coletor, proporcionando uma maior uniformidade da temperatura. Como análise primária

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pode-se dizer que o sistema com direcionador de fluxo tem um desempenho melhor em

relação aos demais.

Figura 8 – Velocidade plotada no aquecimento para geometria com placa e com

direcionador

Com o a informação do comportamento da velocidade no interior do sistema, observando

a Figura 8, podemos facilmente identificar que o sistema com placa não recircula a água no

reservatório, ou seja, não oferece grandes dificuldades para que a água quente saia do

reservatório. Já o sistema de baixo, com direcionador, promove uma maior resistência à saída

da água quente, resultando em uma recirculação no interior do sistema capaz de manter uma

maior temperatura em um espaço maior.

Devido à esse fato, podemos concluir também que a estratificação térmica dos sistemas

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com placas será menor, justamente pelo motivo de o fluido sair com facilidade do reservatório

e trocar calor com a porção de fluido mais fria, fazendo com que a temperatura seja mais

quente em pequenos pontos, ou seja, causando uma maior uniformidade da mesma.

ESTUDO DA TEMPERATURA MÁXIMA EM CADA GEOMETRIA APÓS O RESFRIAMENTO

Analisando a Figura 9 podemos concluir novamente que o valor de temperatura máxima para

os sistemas não possuem diferenças significativas em termos de valor, mesmo no período de

resfriamento. O que difere nos sistemas é a distribuição de temperatura, tanto no período de

aquecimento, quanto no período de resfriamento.

Figura 9: Temperatura máxima plotada ao término do resfriamento

Para fazer uma análise completa dos sistemas temos que levar em conta como está distribuída

a temperatura no interior dos coletores e não somente o valor máximo atingido, já que a

quantidade de água próxima à temperatura máxima é o que realmente importa em sistemas de

aquecimento de água através de energia solar.

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Figura 10: Temperatura máxima plotada ao término do resfriamento na geometria com

direcionador de fluxo

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Figura 11: Temperatura máxima plotada ao término do aquecimento na geometria com

capacidade de 300L

Analisando visualmente os sistemas após o resfriamento nota-se que as temperaturas

máximas para as quatro primeiras configurações são muito próximas, porém com diferenças

em termos de camadas de estratificação. O primeiro ponto observado é que os sistemas que

possuem placas defletoras têm uma temperatura mínima maior do que os sistemas com

somente direcionador e isso acarreta em uma menor estratificação e consequentemente em

uma menor porção de água útil.

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Os sistemas que compostos por placas, possuem uma maior recirculação de fluido

acarretando em uma maior uniformidade da temperatura e é essa a causa da menor

estratificação.

Olhando para as figuras 10 e 11 podemos ver claramente uma maior porção de água quente

localizada no reservatório bem como camadas mais bem definidas e maiores de níveis de

temperatura. Isso difere substancialmente os sistemas com direcionador, dos sistemas com

placa.

O fenômeno da recirculação é um dos principais alvos no estudo de coletores solares, pois

é o principal responsável pela perda de energia térmica coletada, diminuindo o rendimento dos

sistemas.

ESTUDO DA TEMPERATURA MÍNIMA EM CADA GEOMETRIA APÓS O AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO

Para facilitar ainda mais a visualização na diferença de funcionamento dos sistemas

estudados, podemos analisar também a temperatura mínima do fluído no sistema, conforme

veremos na figura 10

Figura 12: Temperatura mínima plotada ao término do aquecimento

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Figura 13: Temperatura mínima plotada ao término do resfriamento

A temperatura mínima do sistema é importante, pois, juntamente com outros dados como

função corrente, demonstram se o fluido se movimenta mais ou menos no interior do sistema.

Um sistema que possui alta temperatura mínima, certamente terá uma distribuição de

temperatura mais homogênea, ou seja, uma menor estratificação das camadas de nível de

temperatura. Observando novamente as figuras 10, 11, 12 e 13, com o auxílio das figuras 14 e

15, podemos notar que os sistemas com placa circulam mais o fluido, aquecendo o sistema

mais homogeneamente, o que não é o objetivo dos sistemas de aquecimento de água através

de coletores solares. Atrelados à esses estudos, está a comprovação da maior movimentação

do fluido observando a função corrente das geometrias com direcionador e com placa

defletora nas figuras 14 e 15, onde a figura 15 que mostra a geometria com placa mostra uma

região de movimentação maior do que a figura 14.

Figura 14: Função corrente após término do aquecimento no sistema com direcionador de

fluxo

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Figura 15: Função corrente após término do aquecimento no sistema com placa defletora

Analisando os dados, o último fator a ser analisado é o fator de estratificação, que

quantifica a estratificação térmica em camadas. A primeira figura mostra os valores para o

fator de estratificação, que nesse caso foi calculado como a temperatura máxima instantânea

subtraindo a temperatura mínima instantânea e dividindo o resultado pela temperatura média

do período total.

Figura 16: Coeficiente de estratificação durante o período de aquecimento

Notamos na Figura 16 que mais uma vez os sistemas com direcionais demonstram uma

maior estratificação de temperatura, ratificam os resultados previamente apresentados. Isso

ocorre, pois a presença da placa aumenta a velocidade do fluxo, aumentando a movimentação

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desse sistema. A placa facilita o movimento de circulação do fluido o que nesse caso é

prejudicial. A Figura 17 nos mostra que os sistemas com direcionador mantém a melhor

estratificação e a menor mistura dos fluidos mesmo no período de resfriamento.

Figura 17: Coeficiente de estratificação durante o período de resfriamento

4. CONCLUSÕES Analisando todos os modelos e de acordo com a discussão desenvolvida na apresentação dos

resultados, podemos afirmar que o sistema de aquecimento solar com coletor-armazenador

integrados que seria mais interessante do ponto de vista de utilização de água quente é o

sistema com direcionador, justamente devido a sua estratificação, já que este é um fator de

extrema importância quando se trata de sistemas de aquecimento solar.

Em termos de temperatura, as geometrias se mostraram muito parecidas, não justificando o

uso de uma outra. Apenas as geometrias com maior capacidade tiveram resultados diferentes,

o que já era esperado.

Como se buscava uma geometria otimizada, o sistema com direcionador se mostrou um pouco

melhor do que os outros sistemas, pois dificulta a saída do fluido quente do reservatório,

diminuindo sua circulação e mantendo uma camada de fluido quente maior do que os outros

sistemas analisados.

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5. REFERÊNCIAS

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plate integrated collector storage solar water heater (ICSSWH), Experimental Thermal and

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