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ProjetoDesenvolvimento de Novos Coletores Solares de Condicionamento
de Ar e Refrigeração
Grupo 1 - Coletores especiais Grupo 2 - Refrigeração SolarGrupo 3 – Transferência de
Inovação
• Desenvolvimento, fabricação e teste de coletores de média temperatura (80⁰ a 200⁰):
� Coletor Plano Especial;
� Coletor Concentrador Cilíndrico com foco móvel e absorvedor fixo;
� Coletor Concentrador Linear Fresnel e rastreador.
• Desenvolvimento de conceitos de engenharia dos sistemas de ar condicionado solar;
• Estudos da integração dos coletores e os diversos sistemas acessórios do ar condicionado solar;
• Sistema piloto misto 4TR –chiller de adsorção com sistema dessecante líquido;
• Sistema piloto absorção 10TR com rejeito de calor em piscina.
• Avaliação do ambiente interno propício à posterior fabricação e comercialização dos coletores desenvolvidos através do diagnóstico do estado da arte e grau de inovação da indústria
� Parceria com o Grupo de Estudos e Pesquisa em Energia – GEPEN do Centro
Universitário UNA
Coletores SolaresMercado Brasileiro de Aquecimento Solar
Cond. Residenciais – 4%
HIS – 11%
Piscinas – 30,5%
Residências – 42%
Indústrias – 7%
Hotéis e Hospitais – 5,5%
Piscinas – 30,5%
Coletores SolaresTemperaturas típicas
Setor ProcessoFaixa de
Temperatura (°C)Secagem 30-90Lavagem 40-80Pasteurização 80-110Fervimento 95-105Esterilização 140-150Tratamento Térmico
40-60
Tratamento de Superfícies (Anodização, Galvanização e Pintura)
Limpeza 60-90
Lavagem 40-80Branqueamento 60-100Tingimento 80-100Fervimento 95-105Destilação 110-300Processos Químicos Variados
120-180
Borracha Vulcanização 170
TodosPré-aquecimento de água para caldeira
30-100
Alimentos e Bebidas
Têxtil
Químico
Fonte: Viana (2010)
Temperaturas Típicas em
Processos Industriais
Irradiação Solar Direta x Densidade de
Indústrias
Coletores SolaresTipos de coletores
Movimento Tipo de ColetorTipo de
Absorvedor
Razão de
Concentração
Faixa de
Temperatura (°C)
Coletor Plano Plano 1 30 - 65
Coletor Plano Especial Plano 1 30 - 90
Tubo Evacuado Plano 1 50 - 200
Tubular 1 - 5 60 - 240
Tubular 5 - 15 60 - 300
Tubular 10 - 40 60 - 250
Tubular 10 - 80 60 - 400
Calha Cilíndrica Tubular 15 - 40 60 - 300
Calha Parabólica Tubular 10 - 85 60 - 400
Refletor Tipo-Dish Ponto Focal 600 - 2000 100 - 1500
Campo de Heliostatos Ponto Focal 300 - 1500 150 - 2000
Estacionário
Rastreamento
1-eixo
Rastreamento
2-eixo
Refletor Linear Fresnel
Concentrador Parabólico
Composto - CPC
Ar CondicionadoDistribuição do consumo por uso final
Setor Comercial Prédios Públicos
Setor Residencial
Ar Condicionado Ar Condicionado Solar
� A grande importância do desenvolvimento de sistemas de ar-condicionado solar reside na coincidência dos picos de disponibilidade do recurso solar com os picos de demanda de energia elétrica pelos sistemas convencionais de condicionamento de ar, tanto temporal como geograficamente, representando uma contribuição potencialmente elevada na redução da necessidade de reforços na rede de distribuição, além da economia de energia.
Ar Condicionado Solar Sistemas Dessecantes
� Desumidificação (calor latente) do ar através de um material dessecante (líquido ou sólido)
� Resfriamento evaporativo fica vantajoso;
� Temperaturas de regeneração mais baixas;
� Menor custo de operação e manutenção;
� Controle da temperatura e umidade independentes.
Metodologia Computacional Volumes Finitos
� O método dos volumes finitos se baseia na conversão de um conjunto deequações diferenciais em um sistema linear com grande número de equaçõesalgébricas, através da discretização do domínio em pequenos volumes ouelementos.
� O domínio computacional é representado por um conjunto de pontos,denominados nós, interconectados, formando uma malha.
� Variáveis fluidodinâmicas armazenadasnos nós.
� Aplicação das equações de conservaçãonos volumes de controle.
� Utilização do Ansys CFX => Sem necessidade de implementação código paradiscretização do domínio e resolução das equações.
Metodologia ComputacionalEtapas da Simulação
1 - Construção da
Geometria 3D
Solidwoks
2 - Geração da
Malha
3 - SetupConfiguração dos domínios, materiais, modelos matemáticos e condições de contorno
4 - SoluçãoConfiguração das condições de parada e outros controles do solver, e a solução propriamente dita.
5 - Análise de ResultadosAvaliação da temperatura de saída, perfil de vazão, análise de eficiência e perda de carga.
Metodologia Computacional Construção da Geometria 3D
� Elaborada no software Solidworks
DimensãoMedida
(mm)
Diâmetro do manifold divisor 21Diâmetro do manifold combinador 22Diâmetro dos tubos de elevação 8,7Comprimento do manifold divisor e
combinador 1030Comprimento da placa absorvedora 1705Largura da placa absorvedora 930Espaçamento entre a placa
absorvedora e a primeira cobertura
de vidro 11Espaçamento entre os vidros 9Espessura dos vidros 3Espessura da placa absorvedora 0,4
Metodologia Computacional Geração da malha
� Discretização do domínio em elementos formados por nós em seusvértices.
� Todos os domínios: Tubos, fluidos, aletas, ar e vidros (exceto o isolante,que foi considerado perfeito – adiabático)
� Pacote Meshing do Ansys CFX.
� Utilização de malhas prismáticas: Melhor qualidade considerando oserros introduzidos na simulação devido a imprecisões no cálculo degradientes em regiões com elementos distorcidos.
� Controles específicos para otimização de cada malha (Precisão x CustoComputacional)
Metodologia Computacional Geração da malha – Controles Específicos
Método Sweep
� Replicação de malha bidimensional ao longo da direção perpendicular à superfície 2D
Metodologia Computacional Geração da malha – Controles Específicos
Método ThinSweep
� Dimensão da direção da varredura deve ser pequena� Permite que a malha bidimensional tenha formato
genérico, inclusive em superfícies curvas.
Metodologia ComputacionalGeração da malha – Controles Específicos
Método Inflation
� Método sweep aplicado na superfície de um corpo 3D, se estendendo até uma pequena profundidade do mesmo
� Melhoria da precisão no cálculo do gradiente próximo as interfaces líquido-sólido.
Metodologia ComputacionalGeração da malha – Estatísticas da Malha Gerada
Domínio Número de nós Número de elementos
Aletas 1.987.552 1.469.475
Tubos de elevação 790.384 592.326
Manifolds 257.324 192.357
Fluido de trabalho 1.827.433 3.170.380
Cobertura inferior e superior 762.432 567.840
Ar 4.372.516 5.212.932
Total 9.997.641 11.205.310
Metodologia Computacional Setup e Solução
� Premissas
� Condições de contorno => modelo em regime permanente
� Transmissividade = 0,8, absortividade = 0,96 e radiação solar incidente = 520 W/m²
Configuração dos Domínios
Fluido de trabalho AletasEspaçament
o de arCobertura
Água Alumínio Ar Vidro
Regime laminar
Fonte de Radiação 520
W/m² Regime
turbulentoTemperatura
ambiente 25°C
Paredes sem deslizamento
Superfície inferior
adiabática
Modelo K-épsilon de turbulência
Coeficiente de perda de calor 2,75
W/m²KVazão total
3,39 x 10-2 kg/sModelo P1 de
radiaçãoTemperatura de
entrada 25°C
Metodologia Computacional Resultados
� Temperatura de saída da água => 62,2 ºC
� Ganho de energia do fluido de trabalho => 526 W
� Valor médio da temperatura da placa absorvedora: 74,3 ºC
� Temperatura da superfície superior da cobertura: 54,5 ºC
� Eficiência = 75,4%
� O valor de eficiência obtida em ensaios laboratoriais utilizando a normaABNT NBR 15.747-2 do protótipo construído resultou em uma média de67% nas mesmas condições de operação.
Conclusões
� Desvio de 8,4 pontos percentuais nos resultados de eficiência do coletor emrelação aos testes laboratoriais devido, principalmente, a imprecisões no modeloe condições de contorno.
� Valor de coeficiente de perdas térmicas pelo topo do coletor de2,75W/m²K calculado utilizando as equações clássicas datransferência de calor.
� Valores não medidos da transmissividade e absortividade
� Modelo desenvolvido utilizando o software Ansys CFX, que antecede aconstrução dos protótipos, é adequado para a previsão do desempenho térmicoglobal do coletor, bem como para avaliação de fenômenos termofluidodinâmicoslocalizados.