Modelação de coletores solares térmicos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lourenço, Pedro Miguel da Silva
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/9480
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012
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spelling Modelação de coletores solares térmicosEnsaios de rendimento de coletores solaresEN-12975-2Características construtivas dos coletoresRendimento ótico F'noPerdas de calor globais do coletor F'UlCapacidade térmica efetivaTeses de mestrado - 2012Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012Os ensaios de rendimento de coletores solares térmicos são de extrema importância pois permitem que determinado coletor seja certificado e possa assim contribuir para uma indústria mais credibilizada no mercado, para além de que sem esse conhecimento não é possível dimensionar sistemas solares térmicos. Foi por isto que surgiram as normas de ensaio de coletores solares térmicos nos anos 70 com a publicação da norma ASHRAE 93:77. Mais tarde surgiram outras normas internacionais ou normas que cada país adaptou às suas características e mercado. Alguns exemplos de normas mais conhecidas e utilizadas são as normas ISO 9806-1 e a EN 12975-2. No laboratório de ensaios de coletores solares (LES – Laboratório de Energia Solar) do LNEG os ensaios de coletores solares são feitos de acordo com a norma europeia EN 12975-2, que permite ensaios em estado-estacionário em ambiente interior e exterior, para dias de céu limpo e o ensaio quasi-dinâmico em ambiente exterior para radiação e temperatura variáveis. Grande parte dos coletores ensaiados no LES são planos e de cobertura simples e o modelo elaborado apenas foi testado e validado para este tipo de coletores. Os coletores solares planos contém certas características construtivas, tais como emissividade e absortividade do absorsor, espaçamento entre tubos, diâmetro dos tubos, que influenciam o rendimento do coletor. Os materiais mais utlizados em coletores solares térmicos são o alumínio e o cobre, pois são materiais muito bons condutores de calor permitindo uma boa transferência de calor para o fluido circulante. No entanto, o problema do excessivo uso do cobre surge como um aviso para se começar a optar por diminuir a massa de cobre nos coletores ou por outro lado optar pelo uso do alumínio, visto que o é um metal em maior abundância que o cobre. Desde 1942 quando Hottel e Woertz pensaram na primeira equação para o cálculo do coeficiente de perdas de calor pelo topo do coletor Ut, surgiram nos anos seguintes autores de novos modelos mais desenvolvidos para o cálculo deste parâmetro importantíssimo: Klein (1975) Agarwall e Larsson (1981) Malhotra et al. (1981) Mullick e Samdarshi (1988) Akhtar e Mullick (1999) Todos eles deram o seu contributo para o desenvolvimento e estudo de coletores solares térmicos e com o modelo de cálculo desenvolvido através da ferramenta Microsoft Excel® pretende-se determinar o valor de rendimento ótico F’η0 e do coeficiente de perdas de calor globais do coletor F’UL através das principais características construtivas do coletor. Comparando os resultados obtidos pelos vários autores, este modelo de cálculo dará uso ao algoritmo do autor cujos resultados obtidos se aproximarão mais dos resultados nos ensaios experimentais no LES. O cálculo destes parâmetros através do processo iterativo também é possível e é testado na ferramenta de cálculo e comparado com os resultados dos restantes autores. O autor que apresenta menores diferenças relativamente ao coeficiente de convecção exterior hw é McAdams (1954). Para o rendimento ótico são Klein (1975) e Akhtar e Mullick (1999), para o coeficiente de perdas de calor são Malhotra et al. (1981). Como as diferenças no coeficiente de perdas de calor são mais significativas a escolha do algoritmo para a ferramenta de cálculo (tanto para F’η0 e F’UL) pertence a Malhotra et al. (1981). No caso do coeficiente de convecção exterior hw as diferenças para o rendimento ótico são de 0,055 e para o coeficiente de perdas de calor são de 0,988 W/m2K. A diferença média entre os valores de cálculo e de ensaio para o rendimento ótico é de 0,036, o coeficiente de perdas de calor apresenta diferenças de 0,623 W/m2K. Implementou-se também um modelo de cálculo da capacidade térmica efetiva de um coletor que reflete a capacidade de inércia dos materiais que constituem o coletor e é outro dos parâmetros muito importantes para caracterizar um coletor solar térmico. Os resultados obtidos encontram-se, para quase todos os coletores, muito abaixo dos valores obtidos em ensaio havendo diferenças que chegam a 22,97 kJ/K. A necessidade de estudos posteriores são de extrema importância para perceber estas diferenças.The tests for solar thermal collector’s productivity are extreme important because they allow the collector to be certified and thus helping for a more credible market. Without this knowledge it is impossible to dimension the solar thermal collectors. The origins of the regulations for the trials of the solar thermal collectors were in the 70's with the publication of the ASHRAE 93:77. Later on other international regulations, or regulations that each country created to their own market and specific needs, emerged. Some examples of known and used regulations are the ISO 9806-1 and the EN 12975-2. In the laboratory used for testing the solar collectors (SEL- Solar Energy Laboratory) of the LNEG; the solar collector tests are done accordingly to the European regulation EN 12975-2, which allows tests in a stationary state for indoor and outdoor climates, on sunny days for tests in quasi-dynamic exterior climate for variation in radiations and temperature. The majority of the collectors tested on SEL are flat with a simple cover. The elaborated model was only tested and validated for this specific type of collectors. The flat solar collector’s performance is influenced by certain characteristics such as emittance, absorption of the absorber, the space between the tubes, and the tube diameter. The most commonly used materials in the solar thermal collectors are aluminium and copper because their capability to transfer heat, allowing for smaller heat losses to the circulating fluid. The large amounts of copper used in the solar collectors can appear as a subsequent problem. This leads to the need for alternatives such as substituting copper for aluminium, since aluminium is more abundant than copper. Since 1942, when Hottel and Woertz initially came up with the first calculation equation for measuring heat loss through the top of the Ut collector, Arose in the following years many authors with newer, more developed models for the calculus of this important factor: • Klein (1975) • Agarwall and Larsson (1981) • Malhotra and others (1981) • Mullick and Samdarshi (1988) • Akhtar and Mullick (1999) All contributions to the development and study of solar thermal collectors stems from utilizing the programme Microsoft Excel® for the analysis of data. It enables us to determine the value of optical performance F’η0 and the global heat loses of the collector F’UL through the collectors main constructive characteristics. Comparing the obtained results of various authors this calculation principle will use the author’s algorithm, which whom obtained results were closer to those of the SEL experimental tests. The calculation of these factors through the iterative process is also possible and was tested with the calculation tool and compared to the results of the remaining authors. The authors that present less differences for the exterior convection coefficient is McAdams (1954). For the optical performance are Klein (1975) and Akhtar and Mullick (1999),for the heat loss coefficient are Malhotra et al. (1981). As the differences in the heat loss coefficient are more important the chosen algorithm for the calculation principle (for both F’η0 e F’UL) belonged to Malhotra et al. (1981). For example in the exterior convection coefficient hw the differences for the optical performance are of 0,055 and for the heat loss coefficient are of 0,988 W/mK. The average difference between the calculated values and the tests for the optical performance is of 0,036, the heat loss coefficient has differences of 0,623 W/mK. This model also allows the calculation of the thermal capacity of a collector, this reflects the inertia capacity of the materials used in the collector, which is another important factor when characterizing solar thermal collectors. The obtained results were, for almost all of the collectors, below the obtained results in tests, having a difference that reached 22,97 kJ/K. It's advisable for there to be further testing to better understand these differences.Carvalho, Maria JoãoRepositório da Universidade de LisboaLourenço, Pedro Miguel da Silva2013-11-07T16:09:34Z20122012-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/9480porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:53:56Zoai:repositorio.ul.pt:10451/9480Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:33:41.213518Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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