Análise teórica, numérica e experimental de um coletor solar de placas planas destinado ao aquecimento de ar

Abstract

RESUMO: Os coletores solares são utilizados para aquecer o ar, sendo uma forma de converter a energia de radiação solar, disponível de forma gratuita, limpa e sustentável, em uma energia térmica passível de ser aproveitada pelas mais diversas atividades humanas. O ar é admitido em temperatura ambiente pelo coletor e escoa em seu interior absorvendo calor das placas que constituem o conjunto, o que causa um incremento em sua temperatura. O ar quente pode, então, ser utilizado em desidratadores de alimentos, trocadores de calor, estufas, entre outras aplicações. Este trabalho teve como objetivo analisar aquecedores solares de placas planas de canal simples com convecção forçada, identificando a relação entre a vazão mássica de ar e a eficiência. Para isso, foram utilizadas três abordagens distintas, com a intenção de comparar a eficácia dos métodos e validar os resultados. As abordagens são a modelagem analítica proposta por Ong (1995); a simulação utilizando o pacote de elementos finitos Elmer disponível como software de licença livre; e a aquisição de dados de um protótipo experimental. Inicialmente, foi utilizado o modelo analítico implementado no software livre Scilab para obter a geometria mais adequada às condições climáticas da região e selecionar materiais de baixo custo. Em seguida, essa geometria foi modelada e o processo simulado utilizando o Elmer. Para finalizar, o protótipo foi construído para a coleta de dados. Foi possível confirmar a validade dos dados coletados experimentalmente com os resultados obtidos analiticamente e numericamente. Além disso, coletores submetidos a um escoamento forçado possuem um comprimento ideal de projeto, o qual pode ser previsto para evitar uma região de menor eficiência

ABSTRACT: The solar collectors are used to heat the air, being a way to convert solar energy radiation, available free of charge, clean and sustainable, in a thermal energy that can be used by the most diverse human activities. The air is admitted in room temperature by the collector and drains inside absorbing heat from the plates that make up the set, which causes an increase in its temperature. Hot air can be used in food dehydrators, heat exchangers, greenhouses, among other applications. The objective of this work was to analyze solar heaters of flat plates of single channel with forced convection, identifying the relation between the mass flow of air and the efficiency. Three different approaches were used to compare the efficacy of the methods and to validate the results. The approaches are the analytical modeling proposed by Ong (1995), the simulation using the Elmer finite element package available as free license software and data acquisition from an experimental prototype. Initially, the analytical model implemented in the free software Scilab was used to obtain the geometry best suited to the climatic conditions of the region and to select low cost materials. Then, this geometry was modeled and the process simulated using Elmer. Finally, the prototype was built for data collection. It was possible to confirm the validity of the data collected experimentally with the results obtained analytically and numerically. In addition, collectors subjected to a forced flow have an ideal design length which can be predicted to avoid a region of lower efficiency