ESTUDO DE COLETOR CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO UTILIZANDO TUBOS DE CALOR COMO ABSORVEDORES PARA APLICAÇÃO EM RESIDÊNCIAS DO MEIO RURAL

 

ALMÍCAR, S. F.

Faculdade do Sul da Bahia – FASB

Coordenador do Curso Superior em Petróleo e Gás - FASB

MOURA, J.P

Faculdade Sul da  Bahia – FASB/ Programa de Pós-Graduação em Gestão Ambiental da Faculdade do Vale do Cricaré - UNIVC

Docente do Programa de Pós-Graduação - UNIVC

BARBOSA, R.A.

Coordenador do Curso Superior em Engenharia de Produção - FASB

 

 

 

RESUMO

 

O trabalho apresenta uma análise térmica de coletores solares concentradores cilíndricos parabólicos – CPC(s), utilizando tubos de calor como absorvedores da energia coletada. Dados experimentais foram colhidos em bancada de ensaios de campo. O modelo teórico utilizado foi basicamente já de Hsieh, modificado para contemplar a  inclusão do tubo de calor. Os resultados são apresentados na forma de gráficos e comparam a previsão do modelo com o desempenho real. Também é apresentada uma comparação destes CPC(S) com os convencionais equivalentes.

Palavras-Chave: Desenvolvimento Sustentável, Coletor Solar, Energia, Calor e Trocador de Calor.

 

ABSTRACT

 

            This work has employed the physical-mathematical model proposed by Hsieh for the thermal analysis of CPC (s). The model has been modified to take into account the substitution of the conventional absorber by heat pipes. The thermal analysis has been carried out consjdering steady state. In order to simulate the conditions of operation a computer program has been developed, based on meteorological data, optical features and operation parameters. A system employing CPC(s) having heat pipes as absorber was built and field tested. The experimental results have been compared with those of the theoretical simulation. This comparison has showed that Hsieb modified model, produces a suitable method for the permance prediction of the latter has also been compared with data obtained from reference, where a conventional CPC is also used. The comparison indicates that an average percentual increase of 62% for the efficiency can be considered when the CPC employs heat pipes.

 

1. Considerações Iniciais

 

            O concentrador solar parabólico composto CPC foi proposto inicialmente por Winston (1974), e é adequado para temperaturas de até 256 °C, sem necessidade de mecanismo de acompanhamento solar e de custo relativamente baixo.

            Na sua forma convencional, utiliza superfícies concentradoras na forma de parábolas truncadas que refletem a radiação solar no seu eixo onde um tubo absorvedor recebe esta energia. Pelo  interior do tubo circula um fluído a ser aquecido, normalmente água. A utilização do CPC com a finalidade de aquecimento de água para uso doméstico é relatada em alguns trabalhos, como os de Leão (1989) e Pereira (1986);  neste último foi constatado que,

devido a sua baixa eficiência global, o uso do CPC para tal finalidade era muito desvantajoso, se comparado com os coletores planos usados para a mesma finalidade.

            A utilização de CPC(s) com tubos de calor como absorvedores, é citada nos trabalhos de Escobedo (1987), onde a seção do condensador do tubo de calor aquecia uma cuba contendo a mistura zeólita-água em um sistema de refrigeração por absorção. Também Mendes (1984) utilizou os tubos de calor como absovedores envolvidos por tubos de vidro evacuados, em um sistema de CPC(s) para obter água quente a 80 °C.

            Neste trabalho, procurou-se desenvolver uma análise térmica sistemática, visando obter resultados teóricos e experimentais que viabilizassem o uso de CPC(s) com tubos de calor sem invólucro evacuado, fornecendo água aquecida para uso doméstico. Baixo custo e simplicidade foram portanto, procurados

            O modelo teórico de Hsieh (1981), que já comprovadamente simula com bastante precisão os CPC(s) convencionais, foi modificado com a introdução do tubo de calor como absorvedor, e utilizado como modelo de simulação.

            Para a realização dos testes de campo construiu-se uma bancada de ensaios segundo as orientações retiradas de Duffie (1976) e Kreith (1978). Os tubos de calor foram projetados e construídos conforme roteiros já desenvolvidos por Duarte (1985) e Rocha (1988), denominados “Heat Pipe”

            As figuras 1 e 2 exemplificam as diferenças principais entre os CPC(s) convencionais e os que utilizam tubos de calor.

 

 

Figura 1 : Diagrama do CPC convencional

 

 

Figura 2 : Diagrama do CPC utilizando tubo de calor como absorvedor.

 

 

2. Coletor Solar

           

O coletor solar foi projetado de acordo com as orientações-padrões de Winston (1974) e Álvares (1980). Suas características principais, referenciadas na figura 3, são:

 

-          largura de abertura (L1): 0,25 m

-          área de captação: 0,50 m

-          comprimento da linha focal: 2,00 m

-          espessura das superfícies refletoras de aço inox: 0,5 mm

-          espessura da proteção de vidro laminado: 3,00 mm

-          profundidade do coletor (D): 45,00 mm

-          razão de concentração (RC): 2,00

 

 

 

Figura 3 : Diagrama esquemático do CPC.

 

O sistema de aquecimento constou de duas unidades de CPC funcionando em série, conforme o esquema da figura 3.

 

3. Tubo de Calor

 

      Os tubos de calor, em numero de quatro, dois por coletor, foram projetados e construídos segundo roteiros apropriados e cada tubo apresentou as seguintes características.

-          material do tubo....................... cobre

-          comprimento total............... 1000 mm

-          comprimento do evaporador  490 mm

-          comprimento da seção adiabática 20mm

-          comprimento do condensador 490 mm

-          diâmetro externo do tubo.... 38,1 mm

-          diâmetro interno do tubo....  34,9 mm

-          diâmetro int. do trocador de calor....50,   mm

-          comprimento do trocador de calor...490  mm

-          leito poroso.................................. tela

-          número de voltas............................  6

-          material da tela.....   bronze fosforoso

-          espessura da tela...........  0,1409 mm

-          diâmetro do arame da tela  0,112 mm

-          tela metálica..................... mesh 100

-          fluído de trabalho: ága tridestilada e deionizada

 

 

 

4. Montagem de testes

 

            A bancada para ensaios no campo é esquematizada na figura 4.

 

 

Figura 4 : Diagrama esquemático da montagem.

 

            Esta bancada foi instalada na direção leste-oeste, e os ensaios feitos em abril e maio de 1989, no horário de 9:00 às 15:00 hs. Os resultados foram colhidos de 5 em 15 minutos. Neste período, verificava-se o alinhamento com o sol. Utilizaram-se para medição da radiação solar dois piranômetros do tipo estrela: um medindo a radiação total e o outro com máscara, medindo a componente difusa. Para medição de temperaturas utilizam-se termopares tipo k (cromel-alumel). As medidas de vazão da água foram realizadas manualmente com uso de proveta com graduação de 5 ml. A velocidade do vento foi avaliada com um anemômetro de pás.

 

5. Modelo Físico-Matemático

                       

 

            No modelo físico-matemático de Hsieh, bastante conhecido no campo de energia solar, foram introduzidas modificações nas expressões da eficiência (N). Para o coletor convencional, a expressao usada era:

                                   (5.1)

Onde, F’, T_f  e T_amb  são: o fator de eficiência do coletor, temperatura de mistura e temperatura ambiente, respectivamente. UL, Ht, RC e no são: o coeficiente global nas perdas do coletor, fluxo de radiação solar total incidente na cobertura, razão de concentração e eficiência ótica do coletor, respectivamente.

            Para o CPC com tubos de calor, utilizou-se a seguinte expressão:

 

                      (5.2)

Onde: UP é coeficiente global de perdas do trocador de calor.

 

 

 

 

6. Análise dos Resultados e Considerações finais

 

            Nos ensaios de campo e no programa de simulação teórico, utilizaram-se vazões de água variáveis 20, 30 e 40 l/h, compatíveis com as necessidades de água quente em condomínios.

            Nas figuras 5, 6 e 7, são representados graficamente os desvios entre as eficiências calculadas pelo modelo e as determinadas experimentalmente, para cada vazão de água utilizada.

 

Experiência experimental x teórica

 

Eficiência Experimental (%)

Figura 5 : Eficiência experimental x teórica para vazão de 20 l / h.

 

            Efetuando-se os cálculos para determinar os desvios médios, encontrou-se 12% para  a vazão de 40 l/h e 8% para 20 e 30 l/h; perfeitamente aceitáveis em validação de modelos térmicos.

            Na figura 8  é mostrada a evolução da eficiência com o termo (T_f - T_amb)/Ht, ou seja, a temperatura de mistura da água (grau de aquecimento) pela radiação total que incidiu sobre o coletor. Os resultados são comparados com dados obtidos para um CPC convencional equivalente, segundo Pereira (1986)

 

Eficiência Experimental  x teórica

 

Eficiência Experimental (%)

figura 6 : Eficiência experimental x teórica para vazãode 30 l/h

 

 

Figura 7 : Eficiência experimental x teórica para vazão de 40 l / h.

 

            A análise dos resultados da figura 8 demonstra um aumento médio de 62% sobre a eficiência do CPC convencional de comparação.

 

 

figura 8 : (T_f  - T_amb) / Ht x eficiência experimental

 

            Na fugura 9 é apresentada a variação das eficiências dos coletores convencional e com tubos de calor, com a evolução do termo (T_f – T_amb) / Ht  ( C°/W). Nota-se claramente que a eficiencia do CPC convencional decai com o crescimento dos valores do termo T_f – T_amb) / Ht, enquanto no CPC com tubo de calor a eficiência permanece praticamente constante.

            Para verificar se o sistema tubo de calor-trocador, responsável pela recepção, transporte e retirada de energia teve um rendimento aceitável, foi construída a tabela 1. Esta tabele demonstra que o rendimento do conjunto tubo de calor-trocador foi em média da ordem de 93%.

 

figura 9 : estudo comparativo da eficiência instantânea do CPC com hp x convencional.

 

            Para a combinação concentrador-tubo de calor, definiu-se o rendimento global ...

Escobedo (1987) como o produto das eficiências térmicas η_c do concentrador e η_hp do tubo de calor.

                                    (5.3)

 

 

Tabela 1 : Rendimento médio do Sistema do Tubo de Calor -Trocador

           

Este valor se encontra na faixa superior de dados internacionais.

            Os resultados obtidos dos gráficos anteriores permitiram calcular a eficiência media do conjunto coletor-tubo de calor-trocador, que foi da ordem de 39%.

            Este valor supera os de Escobedo (1987) em 10% e em 13% os de Mendes (1984).

            Conclui-se finalmente desta análise:

1-       O modelo de Hsieh modificado pode ser aceito para prever o desempenho de CPC (s) com tubo de calor, no absorvedor, com base nos desvios obtidos.

2-       A inclusão dos tubos de calor no sistema de CPC(s) aumenta consideravelmente o rendimento, em média, com relação aos CPC(s) convencionais semelhantes em 6%.

3-       O rendimento global do sistema de CPC (s) com tubos de calor é praticamente constante com a variação da radiação solar global. Este fato amplia o tempo de coleta solar do PC com eficiência praticamente constante.

4-       A teoria usada para fabricação do tubo de calor e seu projeto pode ser considerada excelente, uma vez que 93% de rendimento no campo de tubo de calor é faixa de atimizaçao.

 

 

 

7. Referências

 

ALVARES, S.G. “Aspectos óticos e térmicos necessários aos projetos de concentradores parabólicos compostos.”Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Viçosa.MG. Brasil, 1980.

DUARTE, H. V. “Contribuição ao desenvolvimento de tubos de calor”. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG,Brasil, 1985.

DUFFIE, J. A.; BECKEMAN, W. A. “Solar engineering of thermal process”. John Wiley e Sons, New York, USA, 1976.

ESCOBEDO, J. F. “Refrigeração com o uso de energia solar”, Tese de doutorado, Universidade São Carlos, São Paulo, Brasil, 1987.

HSIEH, C.H. “Thermal analysis of CPC collectors”, Solar Energy, Vol. 27, pp. 19-29, 1981.

KREITH, F., KREIDER, J.F. “Principles of solar engineering”. Hemisphere Publishing Corporation, Washington, USA, 1978.

LEÃO, P. C. A. “ Projeto, Construção e Análise do Desempenho de um  concentrador parabólico composto simulação e resultados experimentais”. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil, 1989.

MENDES, F.; COLLARES, M., “Tubo de calor para extração de energia captada por um coletor do tipo CPC”. 2° Congresso Ibérico de Energia Solar, Lisboa, Portugal, 1984.

PEREIRA, E. M. D. “Utilização de coletora solares e Bomba de calor para aquecimento de água em conjuntos residenciais”, CEMIG, Belo Horizonte, MG, Brasil, 1986.

ROCHA, J. M. G. “Tubo de calor com leito poroso metálico sinterizado”, Dissetação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, MG, Brasil, 1988.

WINSTON, R. “Principles of solar concentrators of novel desing”, Solar Energy, vol. 16, pp. 89-95, 1974.