Desenvolvimento de Novos Coletores

Solares de Condicionamento de Ar e

Refrigeração

ProjetoDesenvolvimento de Novos Coletores Solares de Condicionamento

de Ar e Refrigeração

Grupo 1 - Coletores especiais Grupo 2 - Refrigeração SolarGrupo 3 – Transferência de

Inovação

• Desenvolvimento, fabricação e teste de coletores de média temperatura (80⁰ a 200⁰):

� Coletor Plano Especial;

� Coletor Concentrador Cilíndrico com foco móvel e absorvedor fixo;

� Coletor Concentrador Linear Fresnel e rastreador.

• Desenvolvimento de conceitos de engenharia dos sistemas de ar condicionado solar;

• Estudos da integração dos coletores e os diversos sistemas acessórios do ar condicionado solar;

• Sistema piloto misto 4TR –chiller de adsorção com sistema dessecante líquido;

• Sistema piloto absorção 10TR com rejeito de calor em piscina.

• Avaliação do ambiente interno propício à posterior fabricação e comercialização dos coletores desenvolvidos através do diagnóstico do estado da arte e grau de inovação da indústria

� Parceria com o Grupo de Estudos e Pesquisa em Energia – GEPEN do Centro

Universitário UNA

Coletores SolaresMercado Brasileiro de Aquecimento Solar

Coletores SolaresMercado Brasileiro de Aquecimento Solar

Cond. Residenciais – 4%

HIS – 11%

Piscinas – 30,5%

Residências – 42%

Indústrias – 7%

Hotéis e Hospitais – 5,5%

Piscinas – 30,5%

Coletores SolaresTemperaturas típicas

Setor ProcessoFaixa de

Temperatura (°C)Secagem 30-90Lavagem 40-80Pasteurização 80-110Fervimento 95-105Esterilização 140-150Tratamento Térmico

40-60

Tratamento de Superfícies (Anodização, Galvanização e Pintura)

Limpeza 60-90

Lavagem 40-80Branqueamento 60-100Tingimento 80-100Fervimento 95-105Destilação 110-300Processos Químicos Variados

120-180

Borracha Vulcanização 170

TodosPré-aquecimento de água para caldeira

30-100

Alimentos e Bebidas

Têxtil

Químico

Fonte: Viana (2010)

Temperaturas Típicas em

Processos Industriais

Irradiação Solar Direta x Densidade de

Indústrias

Coletores SolaresTipos de coletores

Movimento Tipo de ColetorTipo de

Absorvedor

Razão de

Concentração

Faixa de

Temperatura (°C)

Coletor Plano Plano 1 30 - 65

Coletor Plano Especial Plano 1 30 - 90

Tubo Evacuado Plano 1 50 - 200

Tubular 1 - 5 60 - 240

Tubular 5 - 15 60 - 300

Tubular 10 - 40 60 - 250

Tubular 10 - 80 60 - 400

Calha Cilíndrica Tubular 15 - 40 60 - 300

Calha Parabólica Tubular 10 - 85 60 - 400

Refletor Tipo-Dish Ponto Focal 600 - 2000 100 - 1500

Campo de Heliostatos Ponto Focal 300 - 1500 150 - 2000

Estacionário

Rastreamento

1-eixo

Rastreamento

2-eixo

Refletor Linear Fresnel

Concentrador Parabólico

Composto - CPC

Ar CondicionadoDistribuição do consumo por uso final

Setor Comercial Prédios Públicos

Setor Residencial

Ar Condicionado Saturação de Mercado

AC: Sailor e Pavlova (2003)

∑=−=

365

1imedb

)T - (TdiaGrau

Ar Condicionado Ar Condicionado Solar

� A grande importância do desenvolvimento de sistemas de ar-condicionado solar reside na coincidência dos picos de disponibilidade do recurso solar com os picos de demanda de energia elétrica pelos sistemas convencionais de condicionamento de ar, tanto temporal como geograficamente, representando uma contribuição potencialmente elevada na redução da necessidade de reforços na rede de distribuição, além da economia de energia.

Ar Condicionado Solar Tecnologias

Ar Condicionado Solar Absorção e Adsorção

Ar Condicionado Solar Temperatura de Operação x COP

Ar Condicionado Solar Sistemas Dessecantes

� Desumidificação (calor latente) do ar através de um material dessecante (líquido ou sólido)

� Resfriamento evaporativo fica vantajoso;

� Temperaturas de regeneração mais baixas;

� Menor custo de operação e manutenção;

� Controle da temperatura e umidade independentes.

Metodologia Computacional Volumes Finitos

� O método dos volumes finitos se baseia na conversão de um conjunto deequações diferenciais em um sistema linear com grande número de equaçõesalgébricas, através da discretização do domínio em pequenos volumes ouelementos.

� O domínio computacional é representado por um conjunto de pontos,denominados nós, interconectados, formando uma malha.

� Variáveis fluidodinâmicas armazenadasnos nós.

� Aplicação das equações de conservaçãonos volumes de controle.

� Utilização do Ansys CFX => Sem necessidade de implementação código paradiscretização do domínio e resolução das equações.

Metodologia ComputacionalEtapas da Simulação

1 - Construção da

Geometria 3D

Solidwoks

2 - Geração da

Malha

3 - SetupConfiguração dos domínios, materiais, modelos matemáticos e condições de contorno

4 - SoluçãoConfiguração das condições de parada e outros controles do solver, e a solução propriamente dita.

5 - Análise de ResultadosAvaliação da temperatura de saída, perfil de vazão, análise de eficiência e perda de carga.

Metodologia Computacional Construção da Geometria 3D

� Elaborada no software Solidworks

DimensãoMedida

(mm)

Diâmetro do manifold divisor 21Diâmetro do manifold combinador 22Diâmetro dos tubos de elevação 8,7Comprimento do manifold divisor e

combinador 1030Comprimento da placa absorvedora 1705Largura da placa absorvedora 930Espaçamento entre a placa

absorvedora e a primeira cobertura

de vidro 11Espaçamento entre os vidros 9Espessura dos vidros 3Espessura da placa absorvedora 0,4

Metodologia Computacional Geração da malha

� Discretização do domínio em elementos formados por nós em seusvértices.

� Todos os domínios: Tubos, fluidos, aletas, ar e vidros (exceto o isolante,que foi considerado perfeito – adiabático)

� Pacote Meshing do Ansys CFX.

� Utilização de malhas prismáticas: Melhor qualidade considerando oserros introduzidos na simulação devido a imprecisões no cálculo degradientes em regiões com elementos distorcidos.

� Controles específicos para otimização de cada malha (Precisão x CustoComputacional)

Metodologia Computacional Geração da malha – Controles Específicos

Método Sweep

� Replicação de malha bidimensional ao longo da direção perpendicular à superfície 2D

Metodologia Computacional Geração da malha – Controles Específicos

Método ThinSweep

� Dimensão da direção da varredura deve ser pequena� Permite que a malha bidimensional tenha formato

genérico, inclusive em superfícies curvas.

Metodologia ComputacionalGeração da malha – Controles Específicos

Método Inflation

� Método sweep aplicado na superfície de um corpo 3D, se estendendo até uma pequena profundidade do mesmo

� Melhoria da precisão no cálculo do gradiente próximo as interfaces líquido-sólido.

Metodologia ComputacionalGeração da malha – Estatísticas da Malha Gerada

Domínio Número de nós Número de elementos

Aletas 1.987.552 1.469.475

Tubos de elevação 790.384 592.326

Manifolds 257.324 192.357

Fluido de trabalho 1.827.433 3.170.380

Cobertura inferior e superior 762.432 567.840

Ar 4.372.516 5.212.932

Total 9.997.641 11.205.310

Metodologia Computacional Setup e Solução

� Premissas

� Condições de contorno => modelo em regime permanente

� Transmissividade = 0,8, absortividade = 0,96 e radiação solar incidente = 520 W/m²

Configuração dos Domínios

Fluido de trabalho AletasEspaçament

o de arCobertura

Água Alumínio Ar Vidro

Regime laminar

Fonte de Radiação 520

W/m² Regime

turbulentoTemperatura

ambiente 25°C

Paredes sem deslizamento

Superfície inferior

adiabática

Modelo K-épsilon de turbulência

Coeficiente de perda de calor 2,75

W/m²KVazão total

3,39 x 10-2 kg/sModelo P1 de

radiaçãoTemperatura de

entrada 25°C

Metodologia Computacional Resultados

� Temperatura de saída da água => 62,2 ºC

� Ganho de energia do fluido de trabalho => 526 W

� Valor médio da temperatura da placa absorvedora: 74,3 ºC

� Temperatura da superfície superior da cobertura: 54,5 ºC

� Eficiência = 75,4%

� O valor de eficiência obtida em ensaios laboratoriais utilizando a normaABNT NBR 15.747-2 do protótipo construído resultou em uma média de67% nas mesmas condições de operação.

Metodologia Computacional Resultados

� Perfil de vazão e perfil de temperatura da placa absorvedora

Conclusões

� Desvio de 8,4 pontos percentuais nos resultados de eficiência do coletor emrelação aos testes laboratoriais devido, principalmente, a imprecisões no modeloe condições de contorno.

� Valor de coeficiente de perdas térmicas pelo topo do coletor de2,75W/m²K calculado utilizando as equações clássicas datransferência de calor.

� Valores não medidos da transmissividade e absortividade

� Modelo desenvolvido utilizando o software Ansys CFX, que antecede aconstrução dos protótipos, é adequado para a previsão do desempenho térmicoglobal do coletor, bem como para avaliação de fenômenos termofluidodinâmicoslocalizados.