Coletor Solar de Placas Planas
Ranyer Soares de Oliveira
Mauro Oliveira Borges Júnior
Cássio Dias Goes
R.A. 092768
R.A. 092381
R.A. 090730
Introdução e motivação
 Transmissão de calor:
 Condução, convecção e radiação
 Parte absorvida, refletida e transferida ao fluido
 Custo elevado, porém ganhos ambientais e
energéticos.
 Uso do Phoenics: Conceitos de Transferência de Calor,
Mecânica dos Fluidos e Métodos Numéricos.
Objetivos
 Através do Phoenics e simulação numérica construir
modelo físico de um coletor solar:
 Movimento dos fluidos
 Transferência entre trocador e água
 Comparação dos resultados da simulação com
resultados teóricos.
Componentes do sistema
 Cobertura:
 Cria efeito estufa – Espessura do vidro de 3 a 4 mm.
 Espaço de ar (cavidade):
 Evitar condução – Espessura 18 mm.
 Placa absorvedora:
 Cobre ou alumínio -> Transferir energia para água.
 Isolamento:
 Evitar troca de calor para o ambiente.
Geometria
 Referência: Coletor CSi2 – SODRAMAR
Modelo
C
L
h1
h2
h3
CSi2
330 mm
2000 mm
3 mm
18 mm
1 mm
Modelo
Área de captação
Vazão ideal por placa
Peso coletor vazio
Peso coletor cheio
Volume interno
CSi2
0.66 m2
0.16 m3/h
1800 g
3900 g
2.1 litros
Cálculos
 A partir dos dados do fabricante:
 Fluxo mássico -> 𝑚 = 𝑄 ∗ ⍴ = 0,044
 Diâmetro ->
𝜋.𝐷2 .𝐿
4
𝑘𝑔
𝑠
= 2,1. 10−3 𝑚3
 Velocidade média -> 𝑉𝑚 =
4𝑚
𝜋𝐷2 𝜌
= 0,04365 m/s
 Inclinação -> Cidade de Campinas em relação ao Norte
(23°) + 10°
Fenômenos Físicos
 Formas de troca de calor com o meio:
Condições de contorno





Radiação incide no coletor: 1000 W/m²
Radiação incidente na placa de cobre: 920 W/m²
Temperatura ambiente: 25°C
Água entra a 25°C e sai a 28°C
Velocidade do vento: 2 m/s
Formulação do problema
 Cavidade interior: Cálculo de Rayleigh (Turbulento se
maior que 50000)
 Troca de calor coletor/ambiente (encontrar h)
 Determinar Nusselt -> 𝐍𝐮𝐋 = 0.664ReL Pr
 Coeficiente de convecção -> 𝒉𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄çã𝒐 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
 Coeficiente de radiação -> 𝐡𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚çã𝐨 = εσ Tvidroext + Tamb
1
2
1
3
𝐿
2
Tvidro
+
ext
Formulação do problema
 Troca de calor coletor/água
 Calcular Reynolds -> Laminar plenamente desenvolvido
𝑊
 Seção do tubo circular -> 𝒉á𝐠𝐮𝐚 = 𝑘𝑁𝑢
=
65
𝐷
𝑚2 𝐾
 Radiação Placa de cobre/Placa de vidro
 Segundo Incropera: 𝑄𝐼𝑟𝑟 =
𝐴𝜎 𝑇14 −𝑇24
1
𝜀1
+
1
𝜀2
−1
Modelagem Phoenics
Modelagem Phoenics
 Força gravitacional: Decomposição em x e y
 Iteração Phoenics: 2000
 Malha: Equilíbrio de tempo e descrição do problema
Domain Size
Number of cells
Power
X
2.0000
100
1
Y
0.0210
37
1
Z
0.3300
1
1
Propriedades
Iteração 1
Iteração 2
Iteração 3
Temperatura externa vidro [K]
318
300
300,24
Temperatura ambiente [K]
298
298
298
Pr
0,7056
0,707
0,707
k
0,02704
0,0263
0,0263
NuL
287,56857
287,788661
7
287,788661
7
h de convecção do vidro
3,8883
3,7844
3,7844
h de radiação do vidro
6,102960
5,577625
5,58435
h equivalente do vidr
9,99129
9,362045
9,368779
Radiação Incidente na placa de cobre [W/m2]
920
920
920
Radiação emitida pela placa de cobre para o vidro [W/m2]
0
13,51487
13,26850
Radiação que efetivamente aquece o cobre [W/m2]
920
906,485128
906,73149
Temperatura do cobre [K]
313,49
313,29
313,29
Temperatura interna do vidro [K]
300,27
300,3
300,33
Temperatura externa do vidro [K]
300
300,24
300,2373
Radiação que aquece a placa de cobre [W]
607,2
598,28
598,44
Troca entre Vidro e Ambiente [W]
-13,18
-12,89
-12,9
Troca entre cobre e água [W]
-594,01
-595,39
-585,54
Eficiência
90,00 %
88,69 %
88,71 %
-17,85
0,24
-0,00263
Resultados
Teste de convergência
Diferença entre temperatura externa do vidro na iteração i
e i-1
Resultados
 Perfil de velocidade
 Convecção natural -> Sentido anti-horário
 Atrito com as paredes
Resultados
 Perfil de temperatura
 Temperatura média na placa de vidro: 27,1 °C
 Temperatura média na placa de cobre: 40,17°C
Resultados
 Representação das trocas de calor no coletor
 Eficiência:
 𝜂=
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑙𝑎 água
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
 𝜂=
585.32 𝑊
660 𝑊
 𝜂 = 88,68%
Conclusão
 Fenômeno de transferência de calor
 Eficiência real menor que 80%
 Eficiência calculada 88,68%
 Modelo computacional