Intensificação da transferência de calor em coletor solar de placa plana com tubo corrugado sob o efeito termossifão

Abstract

O desenvolvimento de novas tecnologias para a geração e aproveitamento de energia vem aumentando significativamente. Neste cenário, o uso de coletores solares de placa plana para conversão da energia térmica solar em energia térmica destinada ao aquecimento da água para fins residenciais e comerciais tem crescido e promovido a redução do consumo de energia elétrica residencial em até 40%. Uma área promissora, porém, pouco explorada na engenharia, é o estudo da intensificação da transferência de calor nestes dispositivos por meio da modificação de características dimensionais e construtivas dos tubos de elevação, especialmente através de uma abordagem numérica para sistemas passivos que operam sob o efeito termossifão. Isso posto, este trabalho tem por objetivo, investigar por meio da Dinâmica dos Fluidos Computacionais (CFD), o processo de transferência de calor em coletor solar de placa plana, com placa concêntrica ao tubo de elevação, avaliando diferentes diâmetros, ângulo de inclinação e perfis de corrugação sujeitos a fluxo de calor constante. A modelagem numérica considera um escoamento monofásico, incompressível, permanente, tridimensional e laminar, além da aproximação de Boussinesq. Os resultados mostram que aumentos expressivos da taxa de transferência de calor podem ser alcançados por configurações que possuem placas absorvedoras em comparação àquelas que não possuem. Associado a isso, o aumento do diâmetro do tubo possibilitou ganhos de até 5,1% à taxa de transferência de calor, enquanto o aumento do ângulo de inclinação não promoveu ganhos significativos. A configuração R10 P20 de perfil triangular aumentou em 8% o número de Nusselt, enquanto a configuração R5 P20 promoveu ganho de 25% ao desempenho termo-hidráulico.

The development of new technologies for the generation and use of energy has been increasing significantly. In this scenario, the use of flat plate solar collectors to convert solar energy into thermal energy for heating water for residential and commercial purposes has been pleasing and promoted a reduction in residential electricity consumption of up to 40%. A promising but underexplored area in engineering is the study of the intensification of heat transfer in these devices by changing the dimensional and constructive characteristics of the elevation tubes, especially through a numerical approach to passive systems that operate under the thermosiphon effect. Thus, this work aims to investigate, by using Computational Fluid Dynamics (CFD), the heat transfer process in a flat plate solar collector with a concentric plate to the elevation tube, evaluating different diameters, angles of inclination and slope corrugation profiles subjected to a constant heat flux. The numerical modeling considers a single-phase, incompressible, permanent, three-dimensional and laminar flow, in addition to the Boussinesq approximation. The results showed that significant increases in the heat transfer rate can be achieved with absorber plates in comparison to those configurations without absorber plates. Moreover, the increase of the tube diameter allowed gains of up to 5.1% in the heat transfer rate, while the increase of the angle of inclination did not promote significant improvements. The triangular profile R10 P20 configuration increased the Nusselt number by 8%, while the R5 P20 configuration promoted a 25% gain in thermohydraulic performance.