Este trabalho analisou o modelo numérico de uma geometria de coletor solar baseada no coletor de absorção direta utilizando o software OpenFOAM®. Foram investigadas as condições de contorno ideais para representar dois tipos distintos de escoamento, sendo o primeiro a uma vazão constante na entrada do coletor de 2,0 L,/min.m² e o segundo com uma vazão oriunda da diferença de pressão entre a entrada e a saída do coletor. Além disso, aferiu- se a curva de rendimento térmico para cinco espessuras de fluido e a influência de alguns parâmetros sobre o modelo.
Para um modelo garantir a eficácia e acuracidade dos resultados obtidos pelas simulações foram testados quatro tipos condições de contorno nos campos de pressão e velocidade na entrada e na saída do coletor para cada tipo de escoamento e dois algoritmos presentes na biblioteca do software, sendo eles o SIMPLE, ideal para casos em regime permanente, e o PIMPLE, recomendado para casos em que se deseja determinar a resposta transiente do problema, duas formas de aproximação da massa específica conforme a temperatura, Boussinesq e Polinomial, além de dois modelos de geometria.
Por meio dos casos estipulados para a análise das condições de contorno, percebeu-se uma pequena diferença entre os resultados obtidos utilizando o SIMPLE e o PIMPLE. Tal diferença pode ser atribuída aos passos corretores a mais que o segundo algoritmo possui em relação ao primeiro, o que acabou resultando em valores mais precisos e acurados do PIMPLE. Por meio desta diferença de constituição dos algoritmos, também pode ser explicado o fato de que algumas condições de contorno convergem apenas para um algoritmo. Neste mesmo aspecto, pode-se afirmar que as condições de contorno que não obtiveram convergência para os casos estudados podem ser utilizadas para estudos semelhantes, contudo alterações nos códigos que constituem os algoritmos ou em seus fatores de convergência devem ser realizadas, entretanto este assunto não é foco deste trabalho e por isso não foi abordado mais a fundo.
Com as condições de contorno determinadas para ambos os modelos estudados, escolheu-se o modelo com superfícies adjacentes ao coletor, para diminuir a recirculação térmica, com o algoritmo SIMPLE com aproximação polinomial para a massa específica no caso de escoamento constante para se aferir a curva de rendimento térmico do coletor. Para isso, foram utilizadas cinco espessuras de fluido, variando de 1,0 mm a 5,0 mm, e realizaram- se simulações com diferentes temperaturas de entrada, conforme Kalogirou (2009). Os
resultados obtidos mostraram que, pelas hipóteses simplificadoras utilizadas, os rendimentos térmicos para as espessuras são muito semelhantes, sendo que conforme a temperatura de entrada vai se distanciando da temperatura ambiente, o rendimento da maior espessura, 5,0 mm, se sobressai em relação ao rendimento das espessuras menores.
Por fim, alguns parâmetros do modelo foram variados para se precisar a influência de cada um deles. Com relação à inclinação da geometria, os resultados obtidos foram iguais para os valores de 30º, 45º e 60º, mostrando que, para as hipóteses e condições de contorno consideradas, a inclinação não exerce influência sobre o resultado final das simulações. O segundo parâmetro estudado foi o fluxo na entrada da geometria, o qual foi analisados para os valores de 1,0 L/m².min, 2,0 L/m².min e 4,0 L/m².min. Pelos valores obtidos, provou-se que fluxos menores acabam obtendo temperaturas de mistura na saída do coletor maiores, apesar de precisarem de um maior tempo para alcançá-las. O último parâmetro variado foi o fluxo de irradiação incidente sobre a superfície absorvedora do coletor, o qual foi avaliado para os valores de 400 W/m², 600 W/m² e 800 W/m². Verificou-se através desta análise que conforme a incidência de radiação solar sobre o coletor aumenta, a temperatura de mistura alcançada pela água também aumenta na saída do dispositivo.
Concluindo, este estudo permitiu avaliar numericamente uma nova geometria de coletor solar como alternativa para os Sistemas Residenciais de Aquecimento de Água. Por meio dos resultados obtidos pelas análises realizadas, este coletor possui potencial para ser utilizado neste tipo de sistemas. Avaliando sobre o aspecto das dimensões do coletor, ficou claro através da análise de rendimento que a espessura não exerce grande influência na temperatura de mistura na saída do coletor, entretanto sugere-se que a espessura de 5,0 mm é ideal para as situações avaliadas. Já o comprimento e a largura do coletor dependem da demanda e da temperatura em que a água quente precisa ser distribuída no local onde o coletor será instalado, fazendo-se necessário um estudo mais aprofundado dessas dimensões levando em consideração os fatores citados.
Além da análise das demais dimensões da geometria, também é de interesse testar a possibilidade deste coletor associado a células fotovoltaicas em um sistema híbrido como um possível trabalho futuro. A montagem de um aparato para levantamento de dados experimentais também é algo de fundamental importância para avaliar o comportamento deste tipo de coletor. Desta forma, poderia se comparar as análises numéricas utilizando o OpenFOAM® e os resultados extraídos do modelo experimental.
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ANEXO A
Durante este trabalho, foram apresentadas os algoritmos, condições de contorno, malhas e modelos utilizados na análise da nova geometria de coletor solar utilizando o OpenFOAM. Entretanto, não foi apresentada a implementação destas características dentro dos arquivos que compõe o software.
Por conta disto, neste anexo serão apresentados os arquivos que constituem dois casos analisados durante este estudo: o Caso 1 com o algoritmo PIMPLE e aproximação de Boussinesq utilizando o Modelo 1 e o Caso 2 com o algoritmo SIMPLE e aproximação Polinomial utilizando o Modelo 2. Esses Casos e combinações foram escolhidos com o intuito de abranger ao máximo as situações analisadas por este estudo.
A.1.