AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA TÉRMICA SOLAR EM TUBO EVACUADO Elson Avallone
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Alcides Padilha
Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
RESUMO
A necessidade de fontes renováveis de energia, devido ás alterações climáticas e, assim, a busca de fontes limpas de energia, justificam o crescente investimento em novos tipos de coletores solares. As pesquisas têm contribuído com essa expansão no âmbito dos coletores solares concentradores, tendo como objetivo principal sua performance. Muitos trabalhos tem sido desenvolvidos utilizando a estratificação térmica do fluido no interior dos tubos e em reservatórios térmicos, assim como, a modelagem analítica para o problema de fluxo de calor. Baseando-se nas características de operação e em parâmetros de eficiência dos coletores por tubos evacuados convencionais, este trabalho propõe um estudo experimental de aquecimento de água por sistema de captação solar por tubos evacuados modificado em relação a um sistema convencional. Uma abordagem importante refere-se a separação física dos fluxos de água fria e quente no interior do tubo evacuado. O desempenho do sistema foi analisado a partir de testes experimentais ao ar livre com incidência solar.
PALAVRAS-CHAVE: Energia Solar, Coletor Solar, Tubo Evacuado, Eficiência Térmica. 1. INTRODUÇÃO
Desde os tempos da pré-história, a humanidade percebe que o uso adequado da energia solar é benéfico. O grande historiador grego Xenofonte lembra alguns ensinamentos do filósofo grego Sócrates (470-399AC) recomendando a correta orientação da construção de casas para se refrescar no verão e se aquecerem no inverno (Kalogirou 2009).
Nos últimos anos o interesse por fontes de energia renováveis adquiriu uma importância global, devido ao aumento dos problemas relacionados ao efeito estufa e do progresso nos estudos sobre alterações climáticas.
A preocupação com os efeitos dessas mudanças climáticas levou a ONU a criar o Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC) - com o apoio do Programa das Nações Unidas (UNEP) e Organização Meteorológica Mundial (OMM) – para buscar e avaliar as pesquisas relacionadas à mudanças no clima. Desde 1990, a organização concluiu o primeiro relatório, que abordou o fato de que as atividades humanas estão contribuindo para o aquecimento global através da emissão de gases de efeito estufa (especialmente o dióxido de carbono que vem da queima de combustíveis fósseis). Outros relatórios seguiram o anterior e procuraram tratar a influência que as mudanças no clima global têm sobre nossas vidas. Também procuraram abordar temas relacionados a matrizes energéticas alternativas, analisando as principais fontes de energia, seus custos, benefícios e possíveis ações que permitam a sua aplicação de forma competitiva. Neste campo, a Energia Solar e suas várias aplicações estão incluídos. Quanto à energia solar, seu principal uso é de aquecimento de água para uso doméstico, através de equipamentos denominados coletores solares. Tem baixo
impacto ambiental em comparação aos combustíveis fósseis, e influenciam as áreas econômicas e sociais, pois seu uso permitiria uma redução considerável no consumo de energia em grande escala podendo reduzir a carga sobre matrizes energéticas convencionais
(Sims et al. 2007).
De acordo com (Cabanillas, Estrada, and Avila 1995a), a radiação solar incidente sobre coletor tubular apresenta maior dificuldades na sua quantificação que o coletor solar de placa plana. Devido à geometria do cilindro, a radiação solar incidente torna-se função do ângulo de incidência e hora solar. Com base em resultados experimentais característicos, a distribuição de radiação foi obtida e analisada por (Shah and Furbo 2004), que estudaram um protótipo de um coletor de tubo evacuado, instalado na vertical, permitindo a incidência de radiação solar em toda superfície cilíndrica do tubo. O sistema foi baseado em circulação forçada no seu interior do tubo e um modelo numérico foi desenvolvido para simular o desempenho do sistema térmico.
Em (Budihardjo and Morrison 2009) analisaram um tubo coletor para diversas variáveis, tais como ângulo de inclinação, características de geometria e distribuição da radiação sobre o tubo. Dados de perfis de temperaturas e vazão d’água foram coletados durante os testes experimentais e comparados com boa concordância, com os resultados da simulação numérica também desenvolvida neste estudo.
Do exposto, o objetivo principal deste trabalho é analisar um coletor solar de tubos de vidros concêntricos modificado, no qual o espaço entre a superfície interna do tubo de vidro externo e a superfície externa do tubo vidro interno, é evacuado. A proposta de modificação do sistema convencional de coletor por tubos é, introduzir um terceiro tubo de aço no interior do tubo de vidro interno para injeção de água fria no sistema. O aquecimento e a saída de água quente são feitos pelo espaço entre a superfície interna do tubo de vidro interno e a superfície externa do tubo de aço do coletor. A separação física das correntes de água fria e quente em escoamento em contra corrente, produz uma melhor estratificação e aumenta a performance térmica quando comparado ao modelo convencional. Neste estudo, através da melhoria da estratificação térmica do líquido em escoamento, busca-se maior desempenho térmico do trocador modificado, quando comparado ao modelo de coletor convencional.
2. MATERIAL E MÉTODOS
O sistema de coletor Solar modificado consiste de um tubo de aço fixado concentricamente ao tubo interno de vidro. O objetivo dessa modificação é injetar água fria no fundo do tubo, na seção não evacuada, evitando assim, o contato direto entre os escoamentos em contra correntes de água quente que sai do sistema e fria que entra. A separação física das correntes de água a diferentes temperaturas, melhora a estratificação térmica e pode aumentar a eficiência do referido sistema quando comparado ao sistema convencional.
O Tubo evacuado foi conectado a um tanque intermediário sem a finalidade de armazenamento, mas somente de um reservatório de passagem entre o tubo evacuado e o tanque de armazenamento de água quente. Nesse estudo, o volume de água quente no tanque de armazenamento não foi analisado e assim, a água aquecida no sistema foi descartada. O sistema esquematizado na Figura 1.
Figura 1 Esquema do Modelo Modificado
As características geométricas estão indicadas na Tabela 1. Tabela 1 Características Geométricas.
Tubo de Vidro Evacuado
Diâmetro Externo 57 mm Diâmetro Interno 45 mm Comprimento 1800 mm Reservatório Intermediário Dimensões 127x127x200m m
Tubo de Aço Interno
Diâmetro 19 mm Comprimento 2000 mm
2.1 Equipamentos utilizados
Para medida da potência solar foi utilizado um Solarímetro da marca TES, Modelo 1333 com resolução de 0,1 W/m2 e de intensidade máxima de 2000 W/m2.
Em conjunto com o solarímetro, foi utilizado um medidor de velocidade de vento (anemômetro) da marca AirFlow modelo LCA 6000 com faixa de leitura de 0,25 a 30m/s.
O controle da vazão foi feito através de um Becker graduado em mililitros (ml) e o tempo de escoamento medido através de um cronômetro. Uma válvula de gás foi utilizada para controle da vazão e calibrada entre a vazão e o ângulo de rotação da manopla em graus. Mesmo com a válvula calibrada, a vazão também foi conferida em todas as medidas utilizando um Becker graduado.
As temperaturas foram medidas utilizando termopares do tipo “J”, calibrados de acordo com as normas internacionais de medida e calibração. Os termopares foram conectados a uma ponte da National Instruments NIDAC modelo NI 9213 de 16 canais para entradas de termopares e o registro dos dados de temperatura pelo software LabVew®.
A partir das medidas de temperaturas captadas, um gráfico foi gerado mostrando a variação da temperatura durante todo o experimento.
O fluxo de água fria é controlado por uma válvula de gás e a pressão hidrostática de entrada foi mantida constante por um pequeno reservatório instalado acima da entrada de água fria no sistema, como Figura 2. Como esse fluxo mássico é função da intensidade da radiação
Entrada de água fria Saída de água quente Tanque intermediário Tubo Evacuado Tubo Interno
solar incidente no tubo evacuado e da velocidade do vento, as temperaturas de saída d’água e as vazões mássicas foram medidas a cada instante dos intervalos de tempo.
Figura 2 Caixa de estabilização de pressão e válvula de controle de vazão
Os termopares foram instalados na entrada de água fria, saída de água quente, no ar ambiente e na superfície do vidro externo do tubo evacuado para medidas das respectivas temperaturas, conforme ilustrado na Figura 3.
(a) (b)
Figura 3 Termopares instalados (a) na entrada de água fria; (b) na saída de água quente.
A Figura 4 mostra a montagem do experimento com o tubo evacuado modificado em um ângulo de 31º (correção da latitude da cidade de Bauru - 22º 21’06, 69” S – 49º 01’57, 37” W com elevação 613 metros) superfície de absorção voltada para o norte.
Figura 4 Tubo evacuado com inclinação de 31º com a face voltada para o norte
O fluxo de calor, devido à radiação solar incidente na superfície do tubo evacuado, foi medido através de um solarímetro, considerando as características geométricas do cilindro que foi dividido em 4 áreas de absorção. Neste caso, quatro regiões (duas laterais, a superior e a inferior) foram estabelecidas para obter a distribuição de radiação incidente durante o dia solar. As quatro regiões da seção do tubo estão representadas na Figura 5, assim como a planificação da área de cada quadrante.
Figura 5 Posição dos pontos de medição e planificação da área de cada quadrante
O fluxo de calor solar incidente (
•
i
Q ) é obtido multiplicando-se o referido fluxo de calor medido em cada região do tubo por sua área projetada, conforme Figura 2.
Baseado nas quantificações experimentais do fluxo de calor incidente (
•
i
Q ) e térmico absorvido pela água (
•
a
Q ), Equação (1), calcula-se a eficiência térmica do sistema, pela Equação (2): ) .( .cpágua TH TC m Qa= − • • (1) • • = Qi Qa η (2) Onde: Leste Oeste Seção do Tubo Área planificada Tubo Evacuado Tanque Intermediário
(
•
i
Q ) é o fluxo de calor solar incidente no tubo, (
•
a
Q ) é o fluxo de calor absorvido pela água, (
•
m) é o fluxo mássico de água aquecida, cp é o calor específico da água a pressão constante, TH é a temperatura de água aquecida e TC é a temperatura de água fria. O calor específico foi
obtido considerando a temperatura média da água.
A vazão de água fria foi mantida constante na entrada do tubo, mas corrigida para cada uma das medidas de temperaturas na saída do tubo.
3. APRESETNAÇÃO DE RESULTADOS
A Tabela 2 apresenta, em função do tempo, o fluxo de calor devido a radiação solar por unidade de área, incidentes nas seções 1, 2, 3 e 4 do tubo, as vazões de água aquecida e as velocidades do vento no local de posicionamento do tubo. O experimento foi realizado em 07/05/2012 e a coleta de dados a cada intervalo de tempo de 30 minutos no período das 11:23h às 15:23h.
Tabela 2 Radiação solar incidente, vazão da água aquecida e velocidade do vento, em função do tempo Radiação [W/m2] Tempo 1 2 3 4 Vazão [l/min]x10-3 Velocidade do Vento [m/s] 11:53 1155 176 213 177 220 4,31 12:23 960 205 240 135 220 2,64 12:53 910 167 119 134 185 1,49 13:23 969 145 168 205 185 2,35 13:53 985 165 193 365 145 1,00 14:23 910 152 183 475 135 1,29 14:53 714 112 151 552 120 3,14 15:23 579 95 131 750 100 0,77
As seções 1, 2, 3 e 4 são as posições de onde foram colhidas as medições da radiação solar e os cálculos foram realizados levando-se em consideração as áreas planificadas dessas seções.
O perímetro do tubo evacuado foi dividido em quatro partes iguais formando um ângulo de 90º entre cada diagonal conforme figura 5. Este ângulo de 90º foi dividido ao meio formando um ângulo de 45º (Figura 6).
Figura 6 Planificação do segmento de arco
Uma reta horizontal foi traçada ligando as extremidades do segmento de arco e que forma um ângulo de 90º com a reta vertical, a qual divide o ângulo total do arco de 90º em dois ângulos de 45º conforme Figura 6. A reta horizontal foi dividida em dois segmentos de
reta de comprimento “x”. O calculo de “x” foi feito através do seno do ângulo de 45º e a projeção, que é a distância da curvatura projetada em 2x.
A área planificada é obtida multiplicando-se a distância projetada pela pelo comprimento do tubo evacuado.
A Tabela 3 apresenta em função do tempo, as temperaturas de entrada de água fria, saída de água quente, potências úteis, potências disponíveis e eficiências do sistema.
Tabela 3 Temperaturas da água, potências úteis, potências disponíveis e eficiências do sistema
Tágua fria Tágua quente Tambiente Potências Úteis Disponíveis Potências Eficiências do sistema
Tempo [ºC] [ºC] [ºC] [W] [W] [%] 11:53 20,674160 24,155856 23,311893 53,10791 102,89859 51,61189416 12:23 20,213995 23,534249 23,616405 50,64536 92,0766 55,00351038 12:53 20,262243 23,715308 23,838160 44,29168 79,5207 55,69830512 13:23 20,356925 23,940827 22,118183 45,9699 88,90773 51,70517644 13:53 20,025140 23,797631 23,402174 37,92642 102,12132 37,13859649 14:23 19,163590 23,656940 22,583977 42,05811 102,8388 40,89711841 14:53 19,460191 24,887445 22,118103 45,15513 91,41891 49,39364169 15:23 20,229355 26,002293 22,575322 40,02604 92,97345 43,05103917
Na Figura 7 são apresentados em função do tempo os perfis das temperaturas, no tubo externa, na entrada de água fria e saída de água quente e temperatura ambiente.
0 5 10 15 20 25 30 11:23 11:53 12:23 12:53 13:23 13:53 14:23 14:53 15:23 Horário T e m p e ra tu ra [ ºC ]
Tubo externo (vidro) Entrada (água fria) Ambiente Saída (água quente)
Figura 7 Variações das temperaturas ao longo do dia para cada componente do sistema
Na Figura 8 são apresentados, em função do tempo, a potência térmica incidente na superfície externa do tubo e a potência térmica absorvida pela água em escoamento no interior do tubo.
0 20 40 60 80 100 120 11:53 12:23 12:53 13:23 13:53 14:23 14:53 15:23 Horário P o tê n c ia [ W
] Potência SolarIncidente
Potência Solar AbsorvIda
Figura 9 Fluxo de calor incidente por radiação na superfície externa do tubo e o fluxo de calor absorvido pela água em escoamento pelo interior do tubo
A Figura 9 mostra o comportamento da eficiência térmica em função do tempo para o sistema de captação de energia solar.
Nota-se na Figura 9 que há uma queda significativa no horário entre 12:53h e 13:53h, a qual foi decorrente da diminuição da intensidade solar ou aparecimento de nuvens.
0 10 20 30 40 50 60 11:53 12:23 12:53 13:23 13:53 14:23 14:53 15:23 Horário R e n d im e n to [ % ] Eficiência Térmica do Sistema
Figura 9 Eficiência térmica do sistema em função do tempo 4. CONCLUSÕES
A eficiência média do sistema de coletor solar por tubo evacuado, calculado experimentalmente foi de 48,06%, que comparado ao sistema de coletor solar plano de eficiência estimada de 45%, segundo (Duffie and Beckman 1980), conclui-se que embora a diferença entre as eficiências seja pequena o tubo evacuado tem um comportamento de eficiência praticamente constante, em relação a intensidade solar e temperatura ambiente, o que não ocorre com a eficiência do coletor solar plano.
Agradecimentos:
Os autores deste trabalho agradecem a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo apoio constante.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Cabanillas, R. E., C. A. Estrada, and F. Avila. 1995. “A Device for Measuring the Angular Distribution of Incident Radiation on Tubular Solar Collectors.” Renewable Energy 6 (7): 843–847. doi:10.1016/0960-1481(94)00098-Q.
Duffie, J. A., and William A. Beckman. 1980. Solar Engineering of Thermal Processes. Second Edition Second Edition. New York: John Wiley & Sons Inc.
Kalogirou, Soteris. 2009. Solar Energy Engineering. 1o ed. Vol. 1. 1 vols. United States of America: British Library Cataloguing-in-Publication Data. www.elsevierdirect.com. Shah, L.J., and S. Furbo. 2004. “Vertical Evacuated Tubular-collectors Utilizing Solar
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