MÓDULO PARA O TRNSYS

Com base no modelo descrito nas seções anteriores, desenvolve- se para o software TRNSYS um novo módulo de campo de calhas parabólicas. O módulo apresenta duas variações: uma que adota vazão constante para o fluido térmico ao longo do campo de coletores e outra que adota vazão variável. Segundo Kolb e Hassani (2006), em uma planta com reservatório estratificado, necessita-se de um controle de vazão variável no campo de coletores para que se mantenha o gradiente de temperatura no reservatório. Porém, sem armazenamento, um controle mais simples torna-se possível, no qual a vazão permanece constante, permitindo a oscilação da temperatura na saída do campo de coletores.

Em seguida, discutem-se as particularidades de cada variação, principalmente em relação aos controles de segurança e de acionamento do campo. Em ambas as variações do módulo, admite-se que se dispõe de uma medição de radiação direta como dado de entrada para o sistema de controle, em conformidade com as orientações do fabricante do coletor IST-PT. No entanto, as variáveis usadas na tomada de decisão para a ativação e para a desativação do campo não são as mesmas para as duas variações. Justifica-se essa diferença pela maior simplicidade do algoritmo de controle em cada variação.

3.4.1 VAZÃOCONSTANTE

Adotando-se vazão constante para o fluido térmico ao longo do campo de coletores, a temperatura de saída do fluido varia ao longo do dia com as condições de temperatura de entrada e de radiação solar. Aciona-se o campo sempre que o fluxo de radiação direta normal ultra­ passa um limite mínimo  ˙Gb, T , min, determinado com base na expressão

para o ganho de calor útil do coletor dada pela Equação 3.7 e em uma diferença de temperatura de referência conforme:

˙G_{b ,T , min}= ˙mcampocP ,fluidoTmin/ATb1Tb2T

2

fsombrafpontaoIAM

3 Modelagem do campo de coletores 69

onde AT é a área de abertura total do campo de coletores, ˙mcampo é a

vazão do fluido térmico ao longo do campo, cP, fluido é o calor específico

médio do fluido e  Tmin é o mínimo incremento de temperatura

aceitável para a operação do campo. Para a simulação da planta, sempre se adota um valor arbitrário de 15°C como mínimo incremento de temperatura. A diferença entre a temperatura média do fluido e a tempe­ ratura ambiente  T presente na Equação 3.24 é calculada com base na temperatura de entrada do fluido e no mínimo incremento de tempe­ ratura. Destaque-se que o controle adotado para a planta solar de Coolidge mostrava-se bem mais simples, visto que o campo de coletores era acionado sempre que o nível de radiação direta superava o valor de 300 W/m² (LARSON, 1987).

Por motivos de segurança, desativa-se o campo sempre que a temperatura de saída do fluido ultrapassa o limite máximo de 300°C, independentemente do nível de radiação solar disponível. Verifica-se também se a vazão fornecida como dado de entrada não está abaixo do limite de segurança. Quando se conclui que o campo deve operar, calcula-se a temperatura de saída do fluido através do ganho de calor útil pela equação de balanço de energia que segue:

To=Ti

˙Qu

˙

mcampocP, fluido

(3.25) onde Ti e To são respectivamente as temperaturas de entrada e de saída

do fluido no campo de coletores. O ganho de calor útil, expresso pela Equação 3.19, depende da própria temperatura de saída, a qual não se conhece inicialmente. Para a solução do problema, opta-se por um processo iterativo. Arbitra-se um valor inicial para a temperatura de saída e aplicam-se as Equações 3.19 e 3.25 alternadamente até que se alcance a convergência.

3.4.2 VAZÃOVARIÁVEL

Como as condições de radiação solar e de temperatura de entrada do fluido são variáveis ao longo do dia, deve-se manipular a vazão do fluido quando se deseja manter um especificado nível de temperatura na saída do campo de coletores. O ajuste contínuo da vazão do fluido térmico pode ser realizado por operadores qualificados ou por controles automáticos (STUETZLE, 2002). Determina-se a vazão aplicando-se primeiramente a Equação 3.19 com o valor de temperatura requerida

70 3 Modelagem do campo de coletores

para a temperatura de saída do campo de coletores. Utiliza-se então o ganho de calor útil calculado na seguinte expressão:

˙ mcampo=

˙Qu

cP, fluidoTreq−Ti

(3.26) onde Treq é a temperatura requerida para o fluido térmico na saída do

campo de coletores. Dessa forma, adota-se para este modelo a hipótese de que se atinge a temperatura requerida sempre que a vazão correspon­ dente está dentro do intervalo de operação, embora esse controle de vazão não seja uma tarefa simples.

Aciona-se o campo sempre que a vazão determinada pela Equação 3.26 supera o limite mínimo de segurança. Quando a tempe­ ratura de entrada é maior que a temperatura requerida, adota-se a máxima vazão permitida pela bomba, admitindo-se que é preferível uma maior eficiência para o coletor a um incremento adicional de tempe­ ratura. Obviamente, adota-se também a vazão máxima quando o valor determinado pela Equação 3.26 excede a capacidade da bomba. Em ambos os casos, o problema torna-se idêntico ao descrito na seção anterior, pois a incógnita deixa de ser a vazão e passa a ser a temperatura de saída. Novamente, como o ganho de calor útil e a temperatura de saída ficam interdependentes, utiliza-se um processo iterativo conforme comentado na seção anterior. Nos demais casos, quando a vazão encontra-se dentro dos limites de operação, não há necessidade de um processo iterativo: o fluido realmente assume a temperatura requerida na saída e a vazão determinada pela Equação 3.26.

Finalmente, por motivos de segurança, desativa-se o campo de coletores sempre que a temperatura de saída do fluido térmico ultrapassa o limite máximo de 300°C, independentemente de qualquer outro critério descrito anteriormente nesta seção.

3.4.3 VARIÁVEISBINÁRIAS

Utilizam-se variáveis binárias (boolean) no código do módulo do campo de coletores para ambas as variações (vazão constante e variável). Essas variáveis indicam a situação do campo de coletores em relação à segurança e à capacidade de ganho de calor, orientando o algoritmo de controle implantado dentro do módulo nas decisões referentes à operação do campo. Uma variável binária, representando a condição de segurança ou a capacidade de ganho de calor, pode assumir

3 Modelagem do campo de coletores 71

apenas dois valores: 1 (indicando que o campo deve operar) ou 0 (indicando que o campo não deve operar).

De acordo com o manual do software TRNSYS (KLEIN et al., 2007), esse comportamento brusco das variáveis pode provocar oscilações nos cálculos, dificultando a convergência numérica do conjunto de equações resultante do acoplamento dos diversos compo­ nentes na simulação de um sistema térmico. Matematicamente, a dificuldade na solução do problema reside no fato de que o conjunto de equações pode mudar a cada iteração com a mudança de estado das variáveis binárias. Para que essas complicações sejam contornadas, opta-se por fixar o valor da variável binária durante o processo iterativo após um especificado número de alterações dentro do mesmo intervalo de tempo. Para o módulo do campo de coletores, adota-se um máximo de sete alterações antes da fixação de um valor definitivo para cada variável. Destaque-se que, apesar de simples e eficaz, a opção de fixar o valor pode proporcionar resultados incorretos, principalmente para simulações de curta duração.