Desenvolvimento de uma ferramenta computacional para dimensionamento de coletores solares de placa plana

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Daniel dos Santos
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UNISINOS (RBDU Repositório Digital da Biblioteca da Unisinos)
Texto Completo: http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/4315
Resumo: O uso da energia solar, como alternativa energética renovável, tem tomado um destaque fundamental no cenário mundial. Em especial, esse tipo de energia utilizado para aquecimento de água, tanto para uso doméstico como industrial representa um mercado mundial com crescimento em torno de 15% ao ano. No Brasil, esse crescimento deve-se, principalmente, aos programas habitacionais patrocinados pelo governo federal, além dos apelos cada vez mais fortes no sentido de buscar-se uma sustentabilidade energética e de economia através da diminuição do consumo de eletricidade e gás. Um sistema de aquecimento de água com energia solar é composto basicamente por coletor e reservatório térmico. Esses dois componentes representam quase a totalidade dos custos de instalação e isso ocorre principalmente em função dos materiais utilizados (cobre, alumínio e aço inoxidável) e dos processos de fabricação utilizados. Uma das formas para reduzir esses custos é a utilização de outros materiais mais baratos para a confecção de coletores e reservatórios e também de novos processos, mais ágeis e autômatos.Para contribuir com a solução desse problema, esse trabalho apresentará o desenvolvimento de uma ferramenta computacional que facilite a avaliação do rendimento térmico de diferentes composições de coletores solares de placa plana. Essa ferramenta foi desenvolvida sobre a plataforma EES (Engineering Equation Solver), pela sua facilidade de implementação, disponibilidade de funções de propriedades térmicas de fluidos, materiais e de escoamento. O programa segue um modelamento matemático baseado na teoria de Hottel-Bliss_Whillier e permite a entrada de dados relacionados aos parâmetros construtivos do coletor, como diâmetro dos tubos e espaçamento, espaçamento absorvedor-cobertura, material dos tubos, material da placa coletora e espessuras, material da cobertura e espessuras de isolamento, além de variáveis ambientais. Como dados de saída o programa fornece o desempenho térmico do coletor, calor útil, perdas térmicas, temperatura de estagnação, entre outros dados fundamentais de projeto. Os modelos matemáticos adotados na construção do programa foram validados através do confronto dos resultados calculados com dados obtidos experimentalmente em testes realizados pelo Test Center for Thermal Solar Systems do Fraunhofer Institut Solare Energie Systeme e pelo Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik. Após a validação, a ferramenta é utilizada para avaliar o rendimento térmico de coletores com outros materiais construtivos, características óticas e termodinâmicas e também aspectos construtivos como a otimização do espaçamento de tubos, distanciamento entre cobertura e placa coletora, entre outros apresentados no capítulo quatro.
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No Brasil, esse crescimento deve-se, principalmente, aos programas habitacionais patrocinados pelo governo federal, além dos apelos cada vez mais fortes no sentido de buscar-se uma sustentabilidade energética e de economia através da diminuição do consumo de eletricidade e gás. Um sistema de aquecimento de água com energia solar é composto basicamente por coletor e reservatório térmico. Esses dois componentes representam quase a totalidade dos custos de instalação e isso ocorre principalmente em função dos materiais utilizados (cobre, alumínio e aço inoxidável) e dos processos de fabricação utilizados. Uma das formas para reduzir esses custos é a utilização de outros materiais mais baratos para a confecção de coletores e reservatórios e também de novos processos, mais ágeis e autômatos.Para contribuir com a solução desse problema, esse trabalho apresentará o desenvolvimento de uma ferramenta computacional que facilite a avaliação do rendimento térmico de diferentes composições de coletores solares de placa plana. Essa ferramenta foi desenvolvida sobre a plataforma EES (Engineering Equation Solver), pela sua facilidade de implementação, disponibilidade de funções de propriedades térmicas de fluidos, materiais e de escoamento. O programa segue um modelamento matemático baseado na teoria de Hottel-Bliss_Whillier e permite a entrada de dados relacionados aos parâmetros construtivos do coletor, como diâmetro dos tubos e espaçamento, espaçamento absorvedor-cobertura, material dos tubos, material da placa coletora e espessuras, material da cobertura e espessuras de isolamento, além de variáveis ambientais. Como dados de saída o programa fornece o desempenho térmico do coletor, calor útil, perdas térmicas, temperatura de estagnação, entre outros dados fundamentais de projeto. Os modelos matemáticos adotados na construção do programa foram validados através do confronto dos resultados calculados com dados obtidos experimentalmente em testes realizados pelo Test Center for Thermal Solar Systems do Fraunhofer Institut Solare Energie Systeme e pelo Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik. Após a validação, a ferramenta é utilizada para avaliar o rendimento térmico de coletores com outros materiais construtivos, características óticas e termodinâmicas e também aspectos construtivos como a otimização do espaçamento de tubos, distanciamento entre cobertura e placa coletora, entre outros apresentados no capítulo quatro.The use of solar energy as an alternative renewable energy, has taken a key highlight in the scene in different parts of the world. In particular, this type of energy used for heating water for domestic use becomes for a growing world market, mainly due to housing programs sponsored by the federal appeals beyond the increasingly strong in the sense of trying to achieve a sustainable energy and economy by reducing the consumption of electricity and gas. A system for heating water with solar energy is basically composed of collector and storage tank. These two components account for almost the entire cost of installation and this is mainly due to the materials (copper, aluminum and stainless steel) and the manufacturing processes used. One way to reduce these costs is the use of other cheaper materials for the manufacture of collectors. and reservoirs as well as new processes, more agile. To contribute to solving this problem, the present study the development of a software tool that facilitates the evaluation of the thermal efficiency of different compositions of flat plate solar collectors. This tool was developed on the platform EES (Engineering Equation Solver) for its ease of implementation, availability of functions of the thermal properties of fluids, materials and marketing.the program follows a mathematical model based on the theory of Hottel-Bliss_Whillier and allows entry of data related to the construction parameters of the collector, such as pipe diameter and spacing, spacing absorber-cover, the pipe material, the absorber material and thickness of material coverage and thickness of isolation and environmental variables. As output data the program provides the thermal performance of the collector, useful heat, thermal losses, stagnation temperature, and other fundamental data design.the mathematical models adopted in the construction of the program were validated by comparing the calculated results with data obtained experimentally by renowned research centers in Germany, as test center for thermal solar systems of Fraunhofer Institut Solare Systeme and Institut für Energie und Wärmetechnik Thermodynamik. After validation, the tool is used to evaluate the thermal performance of collectors with other building materials, optical characteristics and thermodynamic aspects of construction as well as the optimization of the spacing tubes, distance between absorber plate and cover, among others presented in chapter four.NenhumaSilva, Daniel dos Santoshttp://lattes.cnpq.br/4418584301894702http://lattes.cnpq.br/9129454582576885Macagnan, Mario HenriqueUniversidade do Vale do Rio dos SinosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUnisinosBrasilEscola PolitécnicaDesenvolvimento de uma ferramenta computacional para dimensionamento de coletores solares de placa planaDevelopment of a computational tool for design of flat plate solar collectorsACCNPQ::Engenharias::Engenharia MecânicaEnergia solarColetor solar de placa planaEficiência térmicaSolar energySolar collector flat plateThermal efficiencyinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/4315info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UNISINOS (RBDU Repositório Digital da Biblioteca da Unisinos)instname:Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS)instacron:UNISINOSORIGINALDaniel dos Santos Silva.pdfDaniel dos Santos Silva.pdfapplication/pdf1207479http://repositorio.jesuita.org.br/bitstream/UNISINOS/4315/1/Daniel+dos+Santos+Silva.pdfa37801e7a4a9fabd110fb80d5c179a85MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82099http://repositorio.jesuita.org.br/bitstream/UNISINOS/4315/2/license.txte130fff006551e19abf270f718b7ab21MD52UNISINOS/43152015-07-08 11:10:19.904oai:www.repositorio.jesuita.org.br:UNISINOS/4315Ck5PVEE6IENPTE9RVUUgQVFVSSBBIFNVQSBQUj9QUklBIExJQ0VOP0EKCkVzdGEgbGljZW4/YSBkZSBleGVtcGxvID8gZm9ybmVjaWRhIGFwZW5hcyBwYXJhIGZpbnMgaW5mb3JtYXRpdm9zLgoKTGljZW4/YSBERSBESVNUUklCVUk/P08gTj9PLUVYQ0xVU0lWQQoKQ29tIGEgYXByZXNlbnRhPz9vIGRlc3RhIGxpY2VuP2EsIHZvYz8gKG8gYXV0b3IgKGVzKSBvdSBvIHRpdHVsYXIgZG9zIGRpcmVpdG9zIGRlIGF1dG9yKSBjb25jZWRlID8gClVuaXZlcnNpZGFkZSBkbyBWYWxlIGRvIFJpbyBkb3MgU2lub3MgKFVOSVNJTk9TKSBvIGRpcmVpdG8gbj9vLWV4Y2x1c2l2byBkZSByZXByb2R1emlyLCAgdHJhZHV6aXIgKGNvbmZvcm1lIGRlZmluaWRvIGFiYWl4byksIGUvb3UgCmRpc3RyaWJ1aXIgYSBzdWEgdGVzZSBvdSBkaXNzZXJ0YT8/byAoaW5jbHVpbmRvIG8gcmVzdW1vKSBwb3IgdG9kbyBvIG11bmRvIG5vIGZvcm1hdG8gaW1wcmVzc28gZSBlbGV0cj9uaWNvIGUgCmVtIHF1YWxxdWVyIG1laW8sIGluY2x1aW5kbyBvcyBmb3JtYXRvcyA/dWRpbyBvdSB2P2Rlby4KClZvYz8gY29uY29yZGEgcXVlIGEgU2lnbGEgZGUgVW5pdmVyc2lkYWRlIHBvZGUsIHNlbSBhbHRlcmFyIG8gY29udGU/ZG8sIHRyYW5zcG9yIGEgc3VhIHRlc2Ugb3UgZGlzc2VydGE/P28gCnBhcmEgcXVhbHF1ZXIgbWVpbyBvdSBmb3JtYXRvIHBhcmEgZmlucyBkZSBwcmVzZXJ2YT8/by4KClZvYz8gdGFtYj9tIGNvbmNvcmRhIHF1ZSBhIFNpZ2xhIGRlIFVuaXZlcnNpZGFkZSBwb2RlIG1hbnRlciBtYWlzIGRlIHVtYSBjP3BpYSBhIHN1YSB0ZXNlIG91IApkaXNzZXJ0YT8/byBwYXJhIGZpbnMgZGUgc2VndXJhbj9hLCBiYWNrLXVwIGUgcHJlc2VydmE/P28uCgpWb2M/IGRlY2xhcmEgcXVlIGEgc3VhIHRlc2Ugb3UgZGlzc2VydGE/P28gPyBvcmlnaW5hbCBlIHF1ZSB2b2M/IHRlbSBvIHBvZGVyIGRlIGNvbmNlZGVyIG9zIGRpcmVpdG9zIGNvbnRpZG9zIApuZXN0YSBsaWNlbj9hLiBWb2M/IHRhbWI/bSBkZWNsYXJhIHF1ZSBvIGRlcD9zaXRvIGRhIHN1YSB0ZXNlIG91IGRpc3NlcnRhPz9vIG4/bywgcXVlIHNlamEgZGUgc2V1IApjb25oZWNpbWVudG8sIGluZnJpbmdlIGRpcmVpdG9zIGF1dG9yYWlzIGRlIG5pbmd1P20uCgpDYXNvIGEgc3VhIHRlc2Ugb3UgZGlzc2VydGE/P28gY29udGVuaGEgbWF0ZXJpYWwgcXVlIHZvYz8gbj9vIHBvc3N1aSBhIHRpdHVsYXJpZGFkZSBkb3MgZGlyZWl0b3MgYXV0b3JhaXMsIHZvYz8gCmRlY2xhcmEgcXVlIG9idGV2ZSBhIHBlcm1pc3M/byBpcnJlc3RyaXRhIGRvIGRldGVudG9yIGRvcyBkaXJlaXRvcyBhdXRvcmFpcyBwYXJhIGNvbmNlZGVyID8gU2lnbGEgZGUgVW5pdmVyc2lkYWRlIApvcyBkaXJlaXRvcyBhcHJlc2VudGFkb3MgbmVzdGEgbGljZW4/YSwgZSBxdWUgZXNzZSBtYXRlcmlhbCBkZSBwcm9wcmllZGFkZSBkZSB0ZXJjZWlyb3MgZXN0PyBjbGFyYW1lbnRlIAppZGVudGlmaWNhZG8gZSByZWNvbmhlY2lkbyBubyB0ZXh0byBvdSBubyBjb250ZT9kbyBkYSB0ZXNlIG91IGRpc3NlcnRhPz9vIG9yYSBkZXBvc2l0YWRhLgoKQ0FTTyBBIFRFU0UgT1UgRElTU0VSVEE/P08gT1JBIERFUE9TSVRBREEgVEVOSEEgU0lETyBSRVNVTFRBRE8gREUgVU0gUEFUUk9DP05JTyBPVSAKQVBPSU8gREUgVU1BIEFHP05DSUEgREUgRk9NRU5UTyBPVSBPVVRSTyBPUkdBTklTTU8gUVVFIE4/TyBTRUpBIEEgU0lHTEEgREUgClVOSVZFUlNJREFERSwgVk9DPyBERUNMQVJBIFFVRSBSRVNQRUlUT1UgVE9ET1MgRSBRVUFJU1FVRVIgRElSRUlUT1MgREUgUkVWSVM/TyBDT01PIApUQU1CP00gQVMgREVNQUlTIE9CUklHQT8/RVMgRVhJR0lEQVMgUE9SIENPTlRSQVRPIE9VIEFDT1JETy4KCkEgU2lnbGEgZGUgVW5pdmVyc2lkYWRlIHNlIGNvbXByb21ldGUgYSBpZGVudGlmaWNhciBjbGFyYW1lbnRlIG8gc2V1IG5vbWUgKHMpIG91IG8ocykgbm9tZShzKSBkbyhzKSAKZGV0ZW50b3IoZXMpIGRvcyBkaXJlaXRvcyBhdXRvcmFpcyBkYSB0ZXNlIG91IGRpc3NlcnRhPz9vLCBlIG4/byBmYXI/IHF1YWxxdWVyIGFsdGVyYT8/bywgYWw/bSBkYXF1ZWxhcyAKY29uY2VkaWRhcyBwb3IgZXN0YSBsaWNlbj9hLgo=Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.repositorio.jesuita.org.br/oai/requestopendoar:2015-07-08T14:10:19Repositório Institucional da UNISINOS (RBDU Repositório Digital da Biblioteca da Unisinos) - Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS)false
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