AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA VAZÃO E DA ÁREA DE TROCA TÉRMICA NO
AQUECIMENTO DO AR EM UM COLETOR SOLAR TUBULAR A VÁCUO
Felipe Galon de Andrade1, Antonio Carlos Munarini2, Rafael Celuppi3, João Paulo
Bender4, Jaime Humberto Palacio Revello4
Resumo: Neste trabalho é avaliada a influência que a área de troca térmica e a vazão de ar utilizada
têm sobre o processo de aquecimento do ar em um coletor solar tubular a vácuo. Foram feitas
adaptações no equipamento que possibilitaram sua utilização para o aquecimento do ar. São obtidas
temperaturas num mesmo período a partir de um planejamento experimental, as quais foram tratadas
para verificação da significância das variáveis avaliadas no processo. Foi obtida como variável
significante apenas a área de troca térmica, enquanto que as diferentes vazões utilizadas não
interferiram diretamente no processo.
Palavras-chave: Coletor Solar. Energia. Área de Troca Térmica.
1. Introdução
Processos de transmissão de calor são frequentemente empregados na
indústria química e de alimentos. De acordo com Incropera (2008), o equipamento
utilizado para realizar esta troca é chamado de trocador de calor. Neste
equipamento ambos os fluidos estão separados através de uma parede metálica de
alta condutividade térmica, a fim de não se misturar. São diversas as aplicações na
indústria que podem ser feitas com este equipamento, sendo as mais comuns: o
aquecimento ou resfriamento de um fluido ou de um ambiente, o condicionamento
do ar para um dado processo produtivo e, na recuperação de calor em processos de
otimização entre outros.
Dentre os principais tipos de trocadores de calor existentes no mercado podem
ser citados: o trocador de calor tubos concêntricos, o trocador de calor de carcaça e
tubos e, o trocador de calor a placas, sendo este último um dos mais empregados na
indústria de alimentos devido a sua flexibilidade, facilidade de manutenção e
limpeza.
A busca de energias limpas e fontes menos poluentes, levam a atual sociedade
a um avanço constante no estudo do uso e aplicação da energia solar, graças ao
seu poder energético elevado.
Segundo Lafay (2005), o sol é a estrela mais próxima da terra e suas
características determinam a natureza da irradiação de energia no espaço. É
1
2
Aluno do curso Engenharia Química/ACEA Unochapecó; Aluno do curso Engenharia de Alimentos/ACEA
3
4
Unochapecó; Mestrando em Ciências Ambientais/Unochapecó; Professor ACEA/Unochapecó.
constituído quase que exclusivamente por hidrogênio, possuindo uma temperatura
efetiva de corpo negro de aproximadamente 5777 K.
Schoffel (2010) definiu a energia recebida por unidade de tempo, em uma área
unitária perpendicular à direção de propagação da radiação, medida na distância
média entre o sol e a terra fora da atmosfera - 38 km de altura - como constante
solar e assume o valor de 1373 W/m².
A radiação que incide num determinado ponto qualquer na superfície da terra é
inferior a constante solar, pois ao atravessar a atmosfera parte desta radiação é
absorvida e ou refletida pelos constituintes da atmosfera, tais como poeira, vapor
d’água, ar e aerossóis. (LAFAY, 2005)
O uso da radiação solar, mais especificamente como fonte de calor, esta
direcionado para aquecimento de ambientes, produção de energia elétrica e
processos de secagem ou desidratação.
Segundo Weiss e Mauthner (2010), a capacidade dos coletores solares para
aquecimento de água em operação em todo o mundo equivale a 151,7 GW,
correspondendo a 217,0 milhões de metros quadrados até final de 2008. Deste
montante, 131,8 GW são contabilizados pelas placas planas e tubos a vácuo. Os
principais mercados são China (87,5 GW), Europa (28,5 GW) e Estados Unidos e
Canadá (15,1 GW), que juntos correspondem a 86,3% do total de instalações.
O tipo de coletor solar mais utilizado no mundo é o coletor de tubos a vácuo
com 54,2%, em segundo lugar vem as placas planas com 32,6% (WEISS E
MAUTHNER, 2010).
O sistema dos coletores solares á vácuo consiste em dois tubos de vidro de
boro silicato extremamente resistentes. O tubo exterior é transparente, permitindo
que os raios solares passem completamente com reflexão mínima. O tubo interno
possui um revestimento negro seletivo especial (nitrato de alumínio), com excelente
absorção dos raios solares e mínima reflexão. Entre as duas paredes tem-se vácuo
que atua como isolante térmico perfeito (APRICUS, 2009).
Neste trabalho pretende-se estudar a variação da temperatura em um coletor
solar tubular a vácuo, no aquecimento de ar, verificando a influência que a
quantidade de tubos utilizados (área de troca térmica) e a vazão aplicada têm sobre
o sistema.
2. Materiais e métodos
Os experimentos foram realizados em escala piloto junto ao Laboratório de
Operações Unitárias I, da Universidade Comunitária da Região de Chapecó –
UNOCHAPECÓ. Situado a uma altitude de 687 metros do nível do mar, com uma
latitude de 27º 5’ 47” e longitude de 52º 37’ 6” (INFORMAÇÕES ESTATÍSTICAS DO
MUNICÍPIO DE CHAPECÓ, 2010).
Com esses dados foram determinadas a orientação e inclinação ideal do
coletor solar conforme indicações do fabricante, para o Norte e inclinação de 40º,
respectivamente.
O sistema piloto foi montado para cada experimento em uma área sem riscos
de sombreamento ao coletor, decorrente de qualquer obstáculo físico que poderia
atrapalhar a passagem da radiação na direção dos mesmos, como edificações
vizinhas, vegetação e etc.
2.1. Descrição do equipamento
Foi utilizado um conjunto de cinco tubos coletores de energia solar a vácuo,
marca Apricus, cedido pela empresa FIBRATEC de Chapecó - SC. Cada tubo com
diâmetro externo 55mm, diâmetro interno 45mm e comprimento de 1,8m. Foram
realizadas adaptações nos tubos do coletor solar, visando o aquecimento do ar. Os
tubos coletores foram fixados num suporte móvel para facilitar o transporte. Na
extremidade aberta de cada tubo foi feita vedação utilizando-se um cap de PVC de
60mm, fixado com silicone de cura acética. Em cada cap dois orifícios de diâmetro ¾
de polegada foram feitos, para transpassar um tubo de cobre que conduz o ar até a
parte inferior do tubo interno, o qual retorna a parte superior por diferença de
densidade entre o ar frio (entrada) e o ar quente (saída), como mostra a Figura 1.
O ar foi conduzido de um tubo a outro por meio de uma mangueira de gás de
alta resistência.
Figura 1– Esquema de circulação do ar no coletor solar.
2.2. Procedimento experimental
A metodologia desenvolvida consistiu na exposição à radiação do coletor solar,
por um período de duas horas das 12h30min às 14h30min. Conforme o estudo de
Munarini et al (2011) o maior nível de radiação esta no período das 12-14 horas.
O equipamento foi posicionado sobre um cavalete, que garantia a angulação
de 40º com relação ao sol. Na entrada, na saída do segundo tubo e na saída do
quinto tubo do coletor solar foram instalados termopares (marca Novus) para
monitorar a temperatura de bulbo seco. Os termopares estavam ligados a um
programa computacional (myPCLab – que acompanha o equipamento) que
possibilitava o acompanhamento da temperatura ao longo do tempo. Um esquema
representativo do experimento é mostrado na Figura 2.
Figura 2: Esquema de montagem do coletor solar e acessórios
O ar fornecido ao coletor solar encontrava-se inicialmente à temperatura
ambiente, sendo proveniente de um compressor de ar (marca Shulz modelo CSL 15
BR/180L). A medida de vazão volumétrica foi feita com um rotâmetro (marca Omel
S/A), sendo o equipamento posicionado na entrada do sistema de aquecimento.
2.3. Planejamento experimental
Para podermos determinar a influência das variáveis independentes (vazão de
ar e área de troca térmica) sobre a variável dependente (temperatura), elaborou-se
um planejamento experimental de dois níveis fatoriais (2²), totalizando quatro
experimentos, realizados em duplicata, foram utilizados como parâmetros a área de
troca térmica de dois tubos coletores (-1) e de cinco tubos coletores (+1), e as
vazões de 50 L/min (-1) e 100 L/min (+1).
Sendo que a análise da influência das variáveis sobre a temperatura foi
realizada utilizando o software Statistica 8.0.
3. Resultados e discussão
Considerando que os maiores valores da radiação solar incidente sobre a
terra estão entre as 12-14 horas, Munarini et al (2011) e Santos (2004), obteve-se
uma grande variação de temperatura entre a entrada e a saída do coletor solar,
levando-se em consideração a área e a vazão utilizada.
A vazão utilizada nos experimentos foi de 100 L/min e 50 L/min, com uma
área de troca térmica para dois tubos de 0,5089m² e para cinco tubos de 1,2723m²,
todos realizados em duplicata.
Através dos resultados obtidos, é apresentado nos gráficos 1 a 4, a variação
da temperatura ao longo do tempo, sendo possível verificar a influência da área de
troca térmica e da vazão do fluido (ar) na realização de cada experimento.
Inicial
2 tubos
5 tubos
120
Temperatura (C)
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
Tempo (min)
Gráfico 1: Temperaturas para vazão 100 L/min  1 Ensaio
Inicial
120
2 tubos
5 tubos
Temperatura (C)
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
12
15
Tempo (min)
18
21
24
27
Gráfico 2: Temperaturas para vazão 100 L/min  Duplicata
Inicial
120
2 tubos
5 tubos
Temperatura (C)
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
12
15
18
Tempo (min)
21
24
27
Gráfico 3: Temperaturas para vazão 50 L/min  1 Ensaio
Inicial
2 tubos
5 tubos
120
Temperatura (C)
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
12
15
18
Tempo (min)
21
24
27
Gráfico 4: Temperaturas para vazão 50 L/min  Duplicata
É possível visualizar que para os quatro gráficos a temperatura do fluido (ar)
teve um aumento significativo em relação a sua temperatura de entrada, devido ao
calor que entra por radiação no sistema. Conforme esperado, também observa-se
que a temperatura do fluido aumenta, quando aumenta-se a área de troca térmica
de dois para cinco tubos em todos os experimentos.
Em relação à vazão os resultados obtidos permaneceram aquém do
esperado, pois conforme demonstrado nos gráficos 1 e 2, onde foram utilizadas
vazões maiores (100L/min), obteve-se temperatura máxima em torno de
aproximadamente 104,8°C. Enquanto que para os gráficos 3 e 4, onde utilizou-se
vazões menores (50L/min) a temperatura máxima atingida foi de 93,6°C.
Este comportamento da vazão está condicionado ao fato de que nos gráficos
3 e 4 as curvas de temperaturas apresentam oscilações maiores, pois no momento
em que foi realizado os experimentos para vazões de operação mais baixas ocorreu
o aparecimento de algumas nuvens que interferiram negativamente no processo de
transferência de calor para o sistema.
A matriz do planejamento experimental e as temperaturas médias obtidas a
partir dos ensaios podem ser visualizados conforme Quadro 1.
Quadro 1: Planejamento experimental e temperatura média do ar na saída do coletor solar,
obtidas a partir dos ensaios.
Temperatura Média
Área
-1
1
-1
1
Vazão
-1
-1
1
1
Ensaio
75.5
93.6
74
97.2
Duplicata
76.2
93.9
78,8
104.8
O fator que influenciou diretamente na obtenção da temperatura foi à área de
troca térmica fornecida pelo coletor solar. O outro parâmetro analisado, que poderia
ter interferido significativamente na temperatura obtida, é a vazão de ar aplicado
durante a realização do experimento, porém as aparições de algumas nuvens
dificultaram a incidência da radiação sobre o coletor solar no período em que foi
avaliada a menor vazão de ar (50 l/min), refletindo diretamente na absorção pelo
equipamento e posterior troca de calor com o ar. Dessa forma a vazão de ar
apresentou-se como variável insignificante no processo de transferência de calor.
Conforme mostra o gráfico 5, na qual apenas a área é considerada variável
significativa. E a combinação das variáveis também demonstrou-se insignificante
para o processo de transferência de calor.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: T emperatura
2**(2-0) design; MS Residual=8,2725
DV: T emperatura
(1)Área
10,69439
1,893029
1,893029
1by2
1,671766
1,671766
(2)Vazão
p=,05
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Gráfico 5: Análise de Pareto com a significância de cada variável e da combinação das
variáveis.
Sendo assim, a melhor combinação de variáveis foi à utilização de cinco tubos
(+1) e a vazão mais elevada (+1), que apresentaram maior temperatura na saída do
trocador de calor e conseqüentemente maior troca térmica. Conforme resultados do
Quadro 1 que estão evidenciados no Gráfico 6.
Fitted Surface; Variable: T emperatura
2**(2-0) design; MS Residual=8,2725
DV: T emperatura
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
Vazão
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
-1,2
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
>
<
<
<
<
<
<
100
100
95
90
85
80
75
Área
Gráfico 6: Gráfico de superfícies para resultados do Quadro 1.
Por fim encontramos o seguinte modelo a partir dos experimentos realizados:
T= 86,50 + 10,875A + 1,700V + 1,925AV
Onde A é o termo referente à área e V o termo referente à vazão de ar.
4. Considerações finais
Através dos experimentos realizados com um coletor solar tubular a vácuo, foi
possível verificar a influencia da vazão e da área de troca térmica no valor da
temperatura do ar que passa pelo trocador.
Conforme esperado a maior área de troca térmica refletiu numa maior
temperatura final do fluido, enquanto que a vazão não apresentou significância sobre
a variação de temperatura do sistema, devido à aparição de nuvens no momento
que era realizado os ensaios com a vazão menor. Dessa maneira em ambas as
vazões utilizadas à temperatura final do sistema permaneceram próximas.
Por tratar-se de uma fonte de energia alternativa e renovável, novos estudos
devem ser realizados para melhor desenvolvimento e aproveitamento da mesma nos
mais diversos processos.
5. Referências
APRICUS, (2009) Coletores solares com tubos a vácuo - Informações técnicas
do equipamento. 10p
INCROPERA, F. P., WITT, D. P. (2008) Fundamentos da transferência de calor
e massa. Editora LTC. Rio de Janeiro-RJ. 455p
INFORMAÇÕES ESTATÍSTICAS DO MUNICÍPIO DE CHAPECÓ. (2010)
Disponível em: www.chapeco.sc.gov.br. Acesso em: 01/10/2010.
LAFAY, J. M. S. (2005) Análise energética de sistemas de aquecimento de
água com energia solar e gás. Porto Alegre-RS (tese de doutorado) 152p
MUNARINI, A. C., ANDRADE, F. G., CELUPPI, R., BENDER, J. P., REVELLO,
J. H. P. (2011) Estudo do aquecimento do ar em um coletor solar tubular a vácuo.
SANTOS, B. M., (2004) Metodologia de dimensionamento de sistemas de
aquecimento solar para a secagem de produtos agrícolas. Campinas-SP
(dissertação de mestrado) 78p.
SCHOFFEL,
Agrometeorologia.
E.
4p.
R.,
(2010)
Acesso
Radiação
em:
Solar
-
02/12/2010.
Constante
Disponível
Solar.
em
http://www.ufpel.edu.br/faem/agrometeorologia/RADSOL.pdf
WEISS, W., MAUTHNER, F. (2010) Solar heat worldwide: markets and
contribution to the energy supply 2008. Gleisdorf-Austria.