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, a utilização de fontes renováveis de energia está diretamente associada 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. Os 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 impulsioaram intensamente o conhecimento e as condições de vida. Este último inclusive propiciou a chamada “Revolução Industrial”, que tem particular importância no grande desenvolvimento da humanidade nos últimos 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
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, consequentemente, tornou viável a exploração das fontes alternativas de energia que tinham sido abandonadas em função do custo.
Esta crise ficou esquecida com o grande número de descobertas de novas jazidas de petróleo e o alongamento dos horizontes do esgotamento desta importante matéria prima. E como consequencia deste fato, 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, consequentemente, 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.
Outro trabalho que demonstrou o menor custo do sistema ICS foi apresentado por Chaurasia e Twidell (2000), sendo sugerido principalmente para aplicações domésticas. Partindo desta 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) estudaram e analisaram 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
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
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
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 E DISCUSSÕES
Para avaliar o comportamento dos dispositivos é necessário discutir as alterações que serão implementadas em parâmetros de projeto e suas consequências na capacidade de gerar água quente, ou, acima de uma determinada temperatura de operação. A princípio, a temperatura escolhida para referência de um banho considerando as perdas na tubulação seria a de 50°C. Este valor pode ser reavaliado em função dos resultados, uma vez que estes dispositivos estão normalmente associados a aquecedores complementares. Embora o volume total de água acima desta temperatura não possa ser calculado diretamente, esta taxa pode ser avaliada pela comparação das isotermas. Em função das condições de análise, a avaliação dos parâmetros será muito mais qualitativa,a partir da interpretação das curvas e dos sentidos do fluxo, do que uma análise direta.
Parâmetros como a eficiência do coletor em função da radiação incidente também podem ser utilizados para verificar a eficiência do coletor em determinadas situações, como sugerem as normas internacionais . Entretanto este tipo de análise depende, normalmente, de variações da radiação incidente para levantamento da curva de eficiência e isto dependerá do andamento efetivo do projeto e do tempo necessário para a simulação de cada caso. Além disto, nem sempre a eficiência na captação de energia é suficiente para um bom funcionamento do sistema, uma vez que as características de estratificação térmica gerada, que não estão abrangidas por estes modelos, são parâmetros importantíssimos quando se trata de coletores e armazenadores integrados.
O dispositivo na forma “cubóide” apresentado por Gertzos et al (2008), possui diversos parâmetros que podem ser analisados, cabendo destacar: a espessura de isolamento nas faces não receptoras de radiação do sistema coletor/armazenador, as características e a necessidade de uso do isolamento transparente na face coletora, o uso de uma placa defletora no interior da região de aquecimento para separar correntes frias e quentes, espessura deste mesmo canal e/ou outros parâmetros que os resultados mostrem que possam ser interessantes avaliar.
Finalmente, de posse destes resultados, poderia se obter parâmetros geométricos ótimos dos sistemas integrados nas condições propostas e que, no futuro, serviriam como ponto de partida para verificações experimentais. Além disto, seria possível também pela comparação entre sistemas modificados e original, identificar quais são os parâmetros de maior influência na capacidade de produzir água quente. Com os dispositivos otimizados pode se avaliar o seu futuro comercial e, até mesmo, se ele pode vir a substituir os dispositivos comerciais atuais com coletor e armazenador separados.
Alguns resultados preliminares serão apresentados de acordo com a metodologia descrita são apresentados a seguir As figuras 3 e 5 mostram a temperatura e as figuras 4 e 6 mostram os contornos de velocidade após 2h de aquecimento e 1h de resfriamento utilizando-se das condições anteriormente apresentadas..
Figura 3 – Temperatura após 2 horas de aquecimento (950W/m²)
Figura 4 – Velocidade após 2 horas de aquecimento (950W/m²)
Figura 6 – Velocidade após 1 hora de resfriamento 4. CONCLUSÕES
Os resultados preliminares mostram boa coincidência com os valores previamente encontrados na literatura. Este fato, que permitirá um levantamento futuro das variações das condições de operação do sistema integrado e a identificação da alteração do seu comportamento em função do tempo. Desta forma poderão ser estabelecidas as condições críticas para o dispositvo, assim como mudanças de projeto que possam melhorar efetivamente o seu desempenho.
5. REFERÊNCIAS
• Chaurasia, P., Twidell, J. Collector cum storage solar water heaters with and without transparent insulation material. Solar energy, v.70, p. 403-416, 2000.
• Gertzos, K.P., Pnevmatikakis, S.E., Caouris, Y.G. Experimental and numerical study of heat transfer phenomena, inside a flat-plate integrated collector storage solar water heater (ICSSWH), with indirect heat withdrawal, Energy Conversion and Management, 49 (2008) pp. 3104–3115.
• Gertzos, K.P., Caouris, Y.G. Optimal arrangement of structural and functional parts in a flat
plate integrated collector storage solar water heater (ICSSWH), Experimental Thermal and Fluid Science 32 (2008) pp. 1105–1117.
• Kalogirou, S. Design, construction, performance evaluation and economic analysis of an integrated collector storage system, Renewable Energy, Vol. 12, No. 2, pp. 179 - 192, 1997.
• Kaushika, N.D., Banarjee M. B., Honeycomb solar pond; evaluation of applications, Solar World Congress, Perth, Australia, 1983, p. 246.
• Mohamad, A. A. Integrated solar collector-storage tank system with thermal diode. Solar Energy, v. 61, n. 3, p. 211-218, 1997.
• Mohsen, M. S., Akash, B. A. On integratede solar water heating system. Int. Comm. Heat and Mass Transfer, v.29, n. 1, p. 135-140, 2002.
• Pachauri, Rajendra K.; “16 Years of Scientific Assessment in Support of the Climate Convention”, disponível em http://www.ipcc.ch/pdf/10th-anniversary/anniversary-brochure.pdf, acesso em 25/08/2009, 2004.
• Smyth, M; Eames P. C; Norton B; Integrated collector storage solar water heaters, Renewable and Sustainable Energy Reviews 10 (2006) pp. 503–538.
• Smyth, M; Eames P. C; Norton B; A comparative performance rating for an integrated solar collector/storage vessel with inner sleeves to increase heat retention, Solar Energy Vol. 66, No. 4, pp. 291–303, 1999.
• Smyth, M; Eames P. C; Norton B; Heat retaining integrated collector / storage solar water heaters, Solar Energy 75 (2003) pp. 27–34.
• Sridhar, A; K. S. Reddy, Transient analysis of modified cuboid solar integrated collector-storage system, Applied Thermal Engineering 27 (2007) pp. 330–346.
• Tripanagnostopoulos, Y., Yanoulis, P. CPC collectors with multichannel absorber. Solar Energy, v.58, n1-3, p.49-61, 1996.
