A
Resumo. Est evacuado. P computacion combinadas comportamen a dependênc maiores há v Entre o fluid onde foi obsePalavras-cha 1. INTRO Sistemas sola a voltada par uma fonte de responsável possuem um compreende Agency - IEA Fig O aq gerada no p socioeconôm A ut um custo raz tubos metálic maior parte como os que anos, o uso d na sua fabric aquecimento
AVALIAÇ
Universi Universidad Universi te trabalho pr Para tanto fo nal ANSYS-FL a ângulos d nto no format ia da velocida velocidades m do aquecido qu ervada uma re ave: Coletor s ODUÇÃO ares para aque ra o consumo e energia auxi por converter ma tecnologia mais da meta A (2012), Fig. gura 1 – Distr quecimento d país. Grande micas e ambien tilização de co zoável e evitar cos, conhecid das aplicaçõe e utilizam tub destes coletore cação e utiliza de água para Revista BrasileiÇÃO NUM
COLETO
Tiago idade Federal Rejan de do Vale do R Ar idade Federal ropõe uma av oi utilizado o LUENT. Fora de inclinação to de pluma d ade do fluido maiores e, con ue ascende ao egião de recir solar, Tubo ev ecimento de á doméstico, no iliar. O foco d r a irradiânci a consolidada ade da capacid 1. Esta é a gr ribuição da c de água reside e parte desta ntais. oletores solare r maiores dan dos como cole es domésticas bos a vácuo, f es tem se prol ção, conforme uso doméstic ira de Energia SoMÉRICA
OR SOLA
o Francisco M do Rio Grand ne de Césaro ORio dos Sinos,
rno Krenzing do Rio Grand valiação qual o método de am simuladas do coletor da água quente na saída do tu nsequentemen o reservatório rculação de flu vacuado, Simu
água são uma o qual este sis deste trabalho ia solar em e a. No entanto dade mundial t rande motivaç apacidade to Fonte: Ad encial para ban a energia pod es para aquec nos ao meio am etores de plac . Por este mo ficou reservad liferado, princ e pode ser obs co. olar Volume V N 11
A DA CON
AR DE TU
Manea – tiago de do Sul, Dep Oliveski – de Programa de P ger– arno.kren de do Sul, Dep itativa da con volumes fini situações de de 30° e 45 e que sai do t ubo com a irr nte, uma hom e o que desce uido. ulação numéri forma limpa d tema é compo o é o elemento nergia térmic o, a participa total instalada ão para desenotal instalada daptado de IE
nho no Brasil deria ser sup cimento de águ mbiente. Os c ca plana atend otivo, durante do exclusivam cipalmente a p servado na Fig Número1 Julho d
NVECÇÃ
UBO EVA
omanea@gma partamento de cesaroo@gma Pós-Graduação nzinger@ufrgs partamento de nvecção natur itos aplicado irradiância s 5° em relação tubo em direçã radiância e co mogeneização e para o fundo ica, Convecçã de geração de osto basicame o principal de ca. Coletores ação de colet a de coletores nvolver pesqui em operação EA (2012). l consome um prida com e ua é, sem dúv coletores solar dem às neces um bom tem mente para a a partir da partic g. 2. Isso o tor de 2014 p. 11-17ÃO NATU
ACUADO
ail.com e Engenharia M ail.com o em Engenhar s.br e Engenharia Mral que ocorr com a ferra sobre o tubo o ao plano h ão ao topo do om o ângulo d maior da tem o do tubo há u ão natural. energia. A su nte por coleto este sistema, o planos são a tores de tubo solares, segun isas a respeito o por tipo de ma importante energia solar, vida, um meio res tradiciona sidades de aq mpo, o uso de aplicação indu cipação massi rnou competit
URAL EM
O
Mecânica ria Mecânica Mecânica re no coletor s amenta de fl de 300, 500 horizontal. O o reservatório de inclinação. mperatura no uma zona de c ua aplicação m or, reservatório o coletor solar amplamente u os de vidro ndo a Interna o deste tipo de coletor em 20 parcela de en , o que trar o de obter ener ais, fabricados quecimento de e outros tipos ustrial. Porém iva de países c tivo no mercaM
solar de tubo luidodinâmica e 800 W/m², Observou-se o o. Verificou-se Para ângulos reservatório. cisalhamento, mais comum é o, tubulação e r, no qual é o utilizados e já evacuados já tional Energy coletor. 010. nergia elétrica ria vantagens rgia térmica a s com chapa e e água para a de coletores, m, nos últimos como a China ado voltado ao o a o e s é e o á á y a s a e a , s a oFigura Tendo em vi significativa, este trabalho coletores. 1.1 Coletor Os c espaço evacu desempenho, Existem form qual o tubo d Nes reservatório, da circulação Cole colocando a radiação tam tipo de coleto O tu quais são: (1 (6) capturado concêntricos popularment Nes classificada c reflexão na b capturador e gás do espaç Há d Fig. 4 (a) mo estes são uni fluido a ser a a 2 – Capacid sta a penetraç , é importante tem como ob r solar de Tu coletores de t uado garante u , comparado a mas diferentes de abertura ún sa configuraç enquanto a ág o natural de flu etores solares superfície ab mbém é minim or em vantage ubo a vácuo é ) tubo de vidr or e (7) cama , unidos nas e conhecidos Figura tes modelos d como superfíc banda do infr a camada ca o evacuado qu diversas form ostra a forma idos com um aquecido pelo ade instalada ção deste tipo
realizar um a bjetivo princip bo Evacuado tubo evacuado um alto grau ao coletor plan s para extraçã nica é acoplad ção a água a
gua fria, com uido que ocor s que utilizam bsorvedora em mizada devido em aos coletor construído se ro interno, (2) ada capturador extremidades como “garraf a 3 – Desenho de tubos, uma cie de Absorç ravermelho, o apturadora são ue causariam as para extraç de extração d selo entre o interior do tub a de geração de coletor no amplo estudo q pal analisar de o o são constitu de isolamento no, particularm ão da energia do ao reservat aquecida no t maior massa rre entre o tub m tubo a vácu
m um ambien à superfície a res planos qua egundo o princ ) superfície se
ra. Este mode s e com vácu fas térmicas”, o esquemático superfície sel ção/Reflexão o que correspo o responsaveis troca de calor ção do calor ab de calor em q vidro e o met bo a vácuo. O 12 solar térmica mercado de m que avalie asp forma qualita
uídos por dois o térmico, o q mente para tem
térmica do tu tório e a água topo do tubo específica, é o e o reservató uo minimizam nte quase tota absorvedora te anto às perdas cipio do frasco eletiva, (3) esp elo tem como uo entre si. E
utilizados par
o de um tubo letiva é depos
por possuir u onde uma bai s pela manute r por convecçã bsorvido pelo que um tubo d tal. Na Fig. 4 O método de ex a até o final d muitos países, pectos técnico ativa o movim s tubos de vid que faz com q
mperaturas de ubo a vácuo, a a fica em cont
interno, com reposta pela p ório foi invest m a troca de almente evacu er baixa emiss térmicas. o de Dewar se paço evacuado princípio a c Este frasco é ra armazenar l a vácuo. Fon itada na parte uma alta absor ixa emitância enção do vácu ão. o tubo a vácuo de calor (heatp 4 (b) um tubo xtração de cal de 2010. Adap o que já está o s deste concei mento do fluido dro concêntri que este tipo d operação elev a mais usual tado direto co m menor mas parte inferior tigado neste tr
calor por con uado de maté sividade. Esta eus elementos o, (4) tubo de construção de semelhante a líquidos aquec nte: Zhiqiang e externa do tu
rção nas band para as temp uo removendo o, algumas del
pipe) é inserid metálico em lor do tipo tran
ptado de IEA ocorrendo em ito de coletor. o no interior d cos, evacuado de coletor tenh vadas. é a transferên om o tubo de v ssa específica do tubo. O co rabalho. nvecção exter éria. A troca as característic são mostrado vidro externo um frasco co o utilizado em cidos ou resfri g (2005). ubo de vidro in das do espectr peraturas do a o pequenas qu las são descrit
do dentro do m formato de “ nsferência dir A (2012). m escala Deste modo, destes os entre si. O ha um melhor ncia direta, na vidro interno. a, ascende ao omportamento rna e interna, de calor por cas põem este os na Fig.3, os o, (5) grampo, om dois tubos m recipientes iados. nterno. Esta é ro solar e alta absorvedor. O uantidades de tas a seguir. A tubo a vácuo, “U” conduz o reta (water-in-O r a . o o , r e s , s s é a O e A , o
-glass), repres baixo custo d radiação sola desta pela pa Fig Há dois tipos mostrados re que conecta interno próxi reservatório. o qual possui Figura5– C Este aspectos da (computer flu 2. ABORD A p natural, em u topo. O estud 2.1 Modelo A g custo compu Fig. 6(a), on simetria dupl coletor em qu termina na m nas simulaçõ interno do tu sentado esque de fabricação ar faz a água a arte inferior. (a) gura 4 – Form s de coletores espectivament todos os tub imo ao volum Já no outro ti i um volume i Coletores de t e trabalho ma interação entr uid dynamics) DAGEM NU proposta deste um tubo evacu do é realizado o Geométrico geometria em utacional muit nde o compor la na região d ue há simetria metade do tubo ões. O reserva ubo é de 44 mm Revista Brasilei ematicamente (Morrison et aquecer e asce mas de extraç Fo de tubos evac e nas Fig. 5 (a os para distri me interno de u ipo de coletor interno muito (a) tubo evacuad antém o foco re um único ). UMÉRICA e trabalho é s uado acoplado em tubos circ o análise está m to grande. Sen rtamento pode do tanque e sim a em ambos o o, conforme m atório tem diâm
m. ira de Energia So na Fig. 4(c), t al., 2004). N ender ao reser ção de calor: onte: modifica cuados que ut a) e (b). O col ibuir a água f um tubo. Ass r (Fig. 5(b)), o maior que o “ do com transf o apenas no c tubo acoplado simular nume o ao reservatór culares, inclin mostrada na F ndo assim, par e ser reprodu metria na met s lados do cor mostrado na F metro interno olar Volume V N 13 é o mais utili Neste tipo de e rvatório pela p (b) (a) Tubo de ado de Morri ilizam transfe letor de passag fria e coletar im, ele não ar os tubos são a “cabeçote” do ferência diret coletor acopl o ao reservató ericamente o rio, enquanto nados com o ei Fig. 6. Simula ra esta análise uzido para o r tade do tubo. rte. Esta regiã Fig.6 (a). A Fi o de 356 mm, Número1 Julho d izado dentre o extração o aqu parte superior calor; (b) Tu ison et al. (200 erência direta:
gem, Fig. 5(a) a água quen rmazena a águ acoplados dire o coletor anteri
ta. (a) Coleto ado, tendo co ório térmico movimento d este recebe um ixo horizontal ar o coletor ex e considerou-restante do do O domínio co ão começa na ig.6 (b) mostr o comprimen de 2014 p. 11-17 os citados dev uecimento pro r do tubo, enq ubo em “U”; ( 04). coletor de pa ), possui um “ nte. Este distri ua aquecida, m etamente ao re ior. (b) r de passagem omo principa através simul de fluido, qu m determinad l e o fluido de xatamente com se o domínio omínio, impo omputacional metade do esp ra o domínio c nto do tubo é
vido sua simpl ovocado pela quanto acontec (c) (c) Transferê assagem e cole “cabeçote”, ou ibuidor possu mas sim a con eservatório de m; (b) Coleto al objetivo an lações numéri e acontece p do fluxo de ca e trabalho é ág mo o modelo característico ondo-se assim é uma seção paçamento en computaciona de 1690 mm, licidade e seu incidência de ce a reposição ência direta. etor acoplado, u distribuidor, ui um volume nduz para um e água quente, or acoplado. nalisar alguns icas por CFD or convecção lor através do gua. real teria um o mostrado na m condição de de 39 mm do ntre os tubos e al considerado e o diâmetro u e o , , e m , s D o o m a e o e o o
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(a) (b)
Figura 6 – Geometria considerada para as análises. 2.2 Modelo Numérico-Matemático
Para simular a convecção natural entre o tubo evacuado e o reservatório foi considerado que o fluido de trabalho é incompressível, o regime de escoamento é laminar e que as propriedades termofísicas da água são mantidas constantes com a temperatura, com exceção da massa específica. A variação da massa específica com a temperatura foi modelada utilizando a aproximação de Boussinesq.
O modelo matemático consiste nas equações diferenciais da conservação da massa (1), Navier-Stokes (2-4) e energia (5), conforme apresentado na sequência.
(1) (2) (3) (4) (5)
onde u, v e w são as componentes de velocidade nas direções x, y e z, respectivamente, ρ a massa específica, µ a viscosidade dinâmica, κ a condutividade térmica, p a pressão, cp o calor específico e T a temperatura.
As condições de contorno são de simetria nas paredes de corte, não deslizamento e sem troca de calor nas paredes do tubo e do reservatório, com exceção da parte superior do tubo, onde a condição de contorno é de fluxo de calor constante. A condição inicial é de temperatura igual a 27 °C em todo domínio.
Para resolver o sistema de equações foi utilizado software ANSYS-FLUENT-14. A malha computacional utilizada é do tipo tetraédrica,possui, aproximadamente, 1,5x106 elementos e é mostrada na Fig. 7.
3. RESUL 3.1 Compa Bud horizontal, a utilizado par de velocidad vistos na Fig da velocidad de velocidad experimento Comparando a forma de um F 3.2 Perfil d Nas diversos caso (300, 500 e irradiância d comportamen parte superio com variação Figura 9 – É po irradiância so com maior m 3.3 Linhas A ltura d o tubo (m ) LTADOS aração experi dihardjo (2004 coplado a um a envolver o t des no reserva g.8(a) e compa de no plano ce de, e nesta regi e está muito o visualmente ma pluma de igura 8 – Cam de velocidade Fig. 9(a-b) os estudados. 800 W/m2). J de 500 W/m nto semelhant or do tubo (0,0 o da potência. Perfil de velo 800, 500 ossível observ olar. A região magnitude, o in de corrente Revista Brasilei imental 4) realizou u m reservatório tubo a vácuo. atório com um arados com a entral do tubo ião a velocida o próxima da as duas figura água quente q (a) mpo de veloc e na saída do são mostrado A Fig. 9(a) m Já na Fig. 9(b m2. Através te, indicando o 023-0,044 m), (a) ocidade na sa 0 e 300 W/m² var também qu o de saída do nverso ocorre ira de Energia So um ensaio ex retangular. N Com o reserv m Particle Im queles obtido , exatamente n ade máxima é a velocidade m as, percebe-se que ascende pa cidades: (a) ex tubo os perfis de v mostra resultad b) pode-se ve delas pode-s o escoamento , algumas dife aída do tubo p ; (b) para irr ue o perfil de v fluido no tub na região de olar Volume V N 15 xperimental co Neste experime vatório e o tub mage Velocim os neste trabal na seção de s igual a 32 mm máxima enco e que o compo ara o topo do xperimental, velocidade, no dos para uma erificar a influ e observar q o descendente erenças podem para o reserv radiância de 5 velocidade na o, próximo ao entrada de flu Número1 Julho d om um tubo ento um aquec bo preenchido metry (PIV). O ho (Fig. 8(b)) imetria. A cor m/s. Esta velo ontrada na sim ortamento fluid reservatório. Fonte, Budih o plano de si inclinação do uência da inc que, apesar na parte infer m ser vistas, pr vatório: (a) pa 500W/m² e in a seção de abe o topo, é mais uido no tubo, p de 2014 p. 11-17 inclinado a cedor de com os com água, B Os resultados ). As duas fig r mais clara re ocidade foi obt mulação num dodinâmico, e (b) hardjo (2004) imetria, na sa tubo de 45º e linação do co de todos os rior do tudo (0 rincipalmente (b) ara inclinaçã nclinação de 4 ertura do tubo s estreita e po próximo a part 45° em relaç m potência de Budihardjo m de Budihardj guras mostram epresenta mai tida por Budih mérica, que fo em ambos os c ); (b) simulad aída do tubo e três valores oletor (30 e 4 s resultados 0-0,022 m) e a no escoamen ão de 45º e irr 45º e 30º. é assimétrico ossui vetores d te inferior des ção ao plano 500 W/m² foi mediu o campo jo podem ser m a magnitude ior magnitude hardjo em seu oi 31,6 mm/s. casos, assume do. a vácuo para de irradiância 45º) para uma apresentarem ascendente na nto ascendente radiância de e depende da de velocidade ste. o i o r e e u . e a a a m a e a e
A t compreensão aquecimento Há u que desce do velocidade d recirculação A m tendo uma qu Outr de conexão a Figura 10 – 3.4 Estrati Ana Fig. 11 most foram obtido Ana tubo com m devido à oco maior inclina trajetória de o do que ocorr 2000s, com p uma divisão n o reservatório do escoamento do fluido, mo malha utilizada uantidade de v ra informação ao reservatório – linhas de co ficação térmi alisou-se a estr tra os resultad os após 2000s alisando a estr maior inclinaçã orrência de ma ação do coleto um fluido p re no interior potência de 80 no interior do para o tubo o é zero. Nes ostrada com m a para observa volumes três v o possível de e o, tem uma pa (a) orrente para ica no reserv ratificação tér dos para as inc de aquecimen ratificação tér ão, Fig. 11(b) aiores magnitu or, como já se
pode ser obse do tubo a vác 00 W/m² e inc
tubo entre a á pela sua parte sta região pod maior detalhe n ar esta recircu vezes maior ne extrair na aná articipação mo irradiância d 45; (c) par atório rmica, ou cam clinações de 3 nto a 800 W/m
rmica nos doi ), há uma ho udes de veloci observou no i 16 ervada atravé cuo, é apresen clinações do co água aquecida e inferior. Est de-se observa na Fig. 10 (c). ulação de fluid esta região. álise das linha odesta na conv (c) de 800 W/m²: ra região de r mpo de temper 0º e 45º, Fig. m². is casos repre omogeneização idade na conv item 3.2. és de linhas ntado na Fig. oletor de: Fig. a ascende ao r ta divisão cau ar que próxim do é diferente as de corrente, vecção entre o
(a) para incl ecirculação. ratura, no rese 11 (a-b), resp esentados na F o maior da te ecção de fluid de corrente. 10 linhas de c .(a) 30° e Fig. reservatório p usa uma regiã mo a conexão das utilizadas , é que a parte o tubo e o rese (b) linação de 30 ervatório e na pectivamente. Fig. 11 é pos emperatura do do entre o tubo Assim, para corrente para . (b) 45°. pela parte supe ão de cisalham o tubo-reserva s nas simulaçõ e inferior do t ervatório. °; (b) para in região de saíd Os campos d ssível observa o reservatório o e o reservató a uma maior um tempo de erior e a água mento, onde a atório há uma ões anteriores, tubo, oposta a nclinação de da do tubo. A e temperatura ar que, para o o. Este fato é ório para uma r e a a a , a A a o é a
Revista Brasileira de Energia Solar Volume V Número1 Julho de 2014 p. 11-17
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(a) (b) Figura 11 – Estratificação térmica no reservatório para 800 W/m², com inclinação de: (a) 30º e (b) 45º.
Para a inclinação de 30º, Fig. 11(a), a temperatura da pluma logo na saída do tubo para o reservatório é maior que para 45º. Isso pode indicar que é necessário atingir uma temperatura maior na superfície do tubo para iniciar a convecção com o reservatório.
4. CONCLUSÃO
Através do software comercial ANSYS-FLUENT14 Foi simulado numericamente a convecção natural entre um tubo e o reservatório térmico de coletor solar de tubos evacuados. Variou-se o fluxo de calor na superfície do tubo, bem como sua inclinação referente ao plano horizontal.
Com o objetivo de obter-se uma validação do modelo numérico implementado, uma das simulações foi comparada com resultados experimentais de Budihardjo (2004), onde foi observado uma boa concordância entre estes. O comportamento da água em forma de pluma ascendendo do tubo para o reservatório ocorre de forma similar em ambos os casos.
Uma região de recirculação de fluido foi identificada próxima a seção de conexão do tubo com o reservatório onde há cisalhamento entre a corrente de fluido ascendente ao reservatório com a corrente no sentido contrário.
Verificou-se que, para coletores a vácuo com inclinações maiores, há maiores gradientes de velocidade, intensificado assim a convecção entre o tubo e o reservatório, o que o homogeneíza a temperatura no seu interior.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, CAPES e INCT. REFERÊNCIAS
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Morrison, G.L., Budihardjo, I.,Behnia, M., 2004. Measurement and simulation of flow rate in a water-in-glass evacuated tube solar water heater, Solar Energy, vol 78, pp. 257–267.
IEA,International Energy Agency, 2012.Solar Heat Worldwide - Markets and Contribution to the Energy Supply 2010, Gleisdorf.
Zhiqiang, Y., 2005. Development of solar thermal systems in China. Solar Energy Materials & Solar Cells, vol 86, p. 427–442.
Duffie, J. A., Beckman, W. A., 1991.Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons. NUMERICAL SIMULATION OF AN EVACUATED TUBE SOLAR
COLLECTOR COUPLED TO A RESERVOIR
Abstract. This paper proposes a qualitative evaluation of natural convection that occurs in the evacuated tube solar
collector. For this purpose the finite volume method was applied using the computational fluid dynamics tool FLUENT. Irradiance values on the tube of 300, 500 and 800 W / m², combined with collector 30° and 45°inclination angles were simulated. The plume behavior of the hot water coming out of the tube toward the top of the reservoir was observed. It was found the dependence of the velocity of the fluid at the outlet of the tube with the irradiance and the tilt angle. For larger angles there are higher speeds and consequently a greater homogenization of the temperature in the reservoir. Between the heated fluid ascends the reservoir and which descends to the bottom of the tube there is a shear zone where a recirculation fluid was observed.
