Influência relativa dos parâmetros de projeto na eficiência térmica de coletores solares planos utilizando simulações em fluidodinâmica computacional.

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Ara, Paulo Jose Schiavon
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Coletor solar; Computational Fluid Dynamics (CFD), Numerical modeling; Constructive parameters; Dinâmica dos fluidos computacional; Eficiência energética; Energia solar; Experimental validation; Sistemas numéricos (Modelagem); Solar collector
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-21112022-101336/

O aumento da eficiência térmica de um coletor solar fechado plano (FPC Flat Plate Collector) depende fortemente de alterações nos parâmetros construtivos do seu projeto. Mas dentre as diversas alternativas de alterações, surge a questão de qual parâmetro causaria mais impacto na eficiência do aquecedor, quando alterado. Nesse contexto, este trabalho procura, para um FPC convencional, classificar em ordem de importância (hierarquizar) alguns dos seus principais parâmetros construtivos, com relação ao efeito produzido por suas variações, na eficiência térmica do aquecedor. Para tal, foi proposto um modelo numérico 3D solucionável por Fluidodinâmica Computacional (CFD) para o FPC, incluindo tubulação, placa absorvedora, isolamento térmico e cobertura de vidro, e considerando os fenômenos físicos presentes durante a operação, tais como, incidência de radiação solar, escoamento do fluido de trabalho, transferência de calor entre os componentes e convecção natural no airgap. O modelo foi validado experimentalmente por meio de testes em dois protótipos de FPC e os desvios entre as eficiências térmicas obtidas numericamente e experimentalmente foram inferiores a 2%. O modelo numérico foi então utilizado para realizar um conjunto de simulações computacionais, previamente definidas por planejamento de experimentos, por meio do software ANSYS Fluent e os resultados, após analisados estatisticamente, geraram uma equação de previsão da eficiência em função dos parâmetros construtivos estudados, que por sua vez, foi utilizada para a hierarquização. Os resultados mostraram que a variação na distância entre tubos é a que produz maior impacto na eficiência. As variações na espessura do isolamento, na espessura da placa e na emissividade de sua superfície também se mostraram importantes, porém com, respectivamente, 53%, 48% e 47% do efeito observado pela variação na distância entre os tubos. Como parâmetros de menor importância na hierarquia, ficaram a absortividade da superfície da placa e a distância entre placa e cobertura, cujas variações produzem, respectivamente, cerca de 15% e 5% do efeito da variação no parâmetro mais importante. Adicionalmente, os contornos de temperatura e velocidade obtidos pelas simulações CFD possibilitaram uma análise que poderá servir de base para estudos futuros sobre os fenômenos físicos presentes no coletor em operação.