Coletor Solar de Placas Planas

Apresentação em tema: "Coletor Solar de Placas Planas"— Transcrição da apresentação:

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

2 Introdução e motivação
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.

3 Objetivos 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.

4 Componentes do sistema
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.

5 Geometria Referência: Coletor CSi2 – SODRAMAR CSi2 330 mm 2000 mm 3 mm
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

6 Cálculos A partir dos dados do fabricante:
Fluxo mássico -> 𝑚 =𝑄∗⍴=0,044 𝑘𝑔 𝑠 Diâmetro -> 𝜋. 𝐷 2 .𝐿 4 =2,1. 10 −3 𝑚 3 Velocidade média -> 𝑉 𝑚 = 4 𝑚 𝜋 𝐷 2 𝜌 = 0,04365 m/s Inclinação -> Cidade de Campinas em relação ao Norte (23°) + 10°

7 Fenômenos Físicos Formas de troca de calor com o meio:

8 Condições de contorno 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

9 Formulação do problema
Cavidade interior: Cálculo de Rayleigh (Turbulento se maior que 50000) Troca de calor coletor/ambiente (encontrar h) Determinar Nusselt -> 𝐍𝐮 𝐋 =0.664 Re L Pr 1 3 Coeficiente de convecção -> 𝒉 𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐 = 𝑁 𝑢 𝐿 𝑘 𝐿 Coeficiente de radiação -> 𝐡 𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚çã𝐨 =εσ T vidro ext + T amb T vidro ext 2 + T amb 2 T vidro ext 2 + T amb 2 Coeficiente equivalente -> 𝒉 𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 = 𝒉 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐 + 𝒉 𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐

10 Formulação do problema
Troca de calor coletor/água Calcular Reynolds -> Laminar plenamente desenvolvido Seção do tubo circular -> 𝒉 á𝐠𝐮𝐚 = 𝑘𝑁𝑢 𝐷 = 65 𝑊 𝑚2 𝐾 Radiação Placa de cobre/Placa de vidro Segundo Incropera: 𝑄 𝐼𝑟𝑟 = 𝐴𝜎 𝑇 1 4 − 𝑇 𝜀 𝜀 2 −1

11 Modelagem Phoenics

12 Modelagem Phoenics Força gravitacional: Decomposição em x e y
Iteração Phoenics: 2000 Malha: Equilíbrio de tempo e descrição do problema X Y Z Domain Size 2.0000 0.0210 0.3300 Number of cells 100 37 1 Power

13 Propriedades Iteração 1 Iteração 2 Iteração 3 Temperatura externa vidro [K] 318 300 300,24 Temperatura ambiente [K] 298 Pr 0,7056 0,707 k 0,02704 0,0263 NuL 287,56857 287, h de convecção do vidro 3,8883 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 Radiação emitida pela placa de cobre para o vidro [W/m2] 13,51487 13,26850 Radiação que efetivamente aquece o cobre [W/m2] 906,485128 906,73149 Resultados Temperatura do cobre [K] 313,49 313,29 Temperatura interna do vidro [K] 300,27 300,3 300,33 Temperatura externa do vidro [K] 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

14 Resultados Perfil de velocidade
Convecção natural -> Sentido anti-horário Atrito com as paredes

15 Resultados Perfil de temperatura
Temperatura média na placa de vidro: 27,1 °C Temperatura média na placa de cobre: 40,17°C

16 Resultados Representação das trocas de calor no coletor Eficiência:
𝜂= 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑙𝑎 água 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝜂= 𝑊 660 𝑊 𝜂=88,68%

17 Conclusão Fenômeno de transferência de calor
Eficiência real menor que 80% Eficiência calculada 88,68% Modelo computacional