3f. Elementos do coletor de placa plana v7 PDF

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AULA DE EEN904...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

EEN 904 – Energia Solar Térmica e Fotovoltaica

Elementos do coletor de placa plana

Autor: Prof. Dr. Christian Jeremi Coronado Rodriguez

Itajubá - MG, Maio de 2016

1. Elementos do coletor solar de Placa Plana

 Correta eleição de um coletor •

Conhecer as características de cada um dos elementos que o compõem.

•

Avaliar a qualidade de um coletor

•

Escolher o coletor mais adequado as condições ambientais locais, às condições da instalação à qual se destina e ao orçamento disponível.

Um coletor de placa plana esta formada por 4 elementos: •

A cobertura

•

Absorvedor

• Isolamento térmico

• A cobertura  Realiza a troca de calor com fluido

• Absorvedor  Proporciona rigidez ao coletor realiza a selagem no seu interior

• Isolamento térmico  Reduz as perdas térmicas através da carcaça

1.1 A cobertura Transparente 1.1.1 Qualidade de uma boa cobertura • Provocar o efeito estufa e reduzir as perdas por convecção para melhorar o rendimento do coletor. • Assegurar a estanqueidade do coletor para a água e o ar, com ajuda da carcaça e das juntas. •

O efeito estufa determinará as principais qualidades físicas que deve ter uma boa cobertura.

• Ter um coeficiente de transmissão alto para a radiação solar na banda de 0,3 a 3 m. Este coeficiente deve se conservar com o transcorrer dos anos, a pesar dos efeitos do sol, a ação do meio ambiente, etc. • Ter um baixo coeficiente de transmissão para ondas longas (emitidas pelo absorvedor) superiores a 3 m. •

Ter um baixo coeficiente de condutividade térmica. Fazer mais difícil o passo do calor desde superfície interior (da cobertura) até o exterior. Minimizar as perdas. Melhora do rendimento do coletor.

• A parte interior deve ter um alto coeficiente de reflexão para o comprimento de onda longa da radiação emitida pelo absorvedor, para que rebote na face e volte ao absorvedor. • Deve se evitar que a sujeira se junte à superfície exterior, com a finalidade de que a chuva escoe com facilidade. Lavagem eficaz. • Ter um coeficiente de dilatação pequeno. A arte interior da cobertura deve se manter mais quente que a exterior → se dilatará mais → risco de quebra e deformação.

1.1.2 Precauções permanentes • A atenção à resistência mecânica da cobertura:  Força do vento + peso da neve → cobertura de maior espessura •

Fixação da cobertura sobre a carcaça suficientemente resistente.  Vento soprando com força por trás do coletor. Arranque da cobertura.

•

Atenção à perda de estanqueidade:  Deformações na cobertura  Quebras por choque: o Granizo o Vandalismo o Golpes (transporte, manutenção, etc)

1.1.3 Materiais utilizados para as coberturas A) Vidro  Distintas qualidade de vidro: o Composição química o Composição mecânica o Características óticas

 Resistência a pressão do vento o peso do gelo, a neve e aos choques de granizo.  Resistência a quebra espontânea do vidro o Diferença de 25 ºC entre dois pontos do vidro → contrações internas → risco de quebra espontânea o Soluções:  Melhorar a resistência dos bordes: Cortar forma adequada o vidro  Melhorar a resistência do volume interior: Temperado térmico  Técnica de temperado térmico: Aquecimento até a temperatura de amolecimento, seguido de um brusco resfriamento mediante soprado de ar.  Vantagens do vidro temperado: o Maior resistência a quebra o Maior resistência a flexão o Resistência as contrações o Fragmentação de segurança  Maior resistência a quebra: Vidro temperado de 6 mm resiste um choque de bola de aço de 500 g em queda livre de 2 m.  Maior resistência à flexão: Vidro temperado tem 4 a 5 vezes mais resistência  Resistência as contrações: Vidro temperado resiste diferenças de temperatura de 30 ºC sobre um valor médio de 62 ºC e uma temperatura do absorvedor de 150 ºC.  Fragmentação de segurança: Vidro temperado é mais seguro. Se fragmenta em trocos pequenos.

B) Materiais Plásticos  Propriedades análogas as do vidro: São transparentes as radiações de onda inferiores a 3 m e opacos a radiações de onda longas superiores.

 Características gerais: o Pouco peso: Facilita a manutenção em caso de substituição o Pouca fragilidade: Menor risco no transporte e colocação o Má condutividade térmica: Menor temperatura da face externa, menores perdas por radiação e convecção. o Elevado coeficiente de dilatação lineal. Atordoamento das placas grossas, já que as faces posteriores estarão mais quentes que as anteriores. o Pouca resistência a elevadas temperaturas: Sobreaquecimentos ocasionais. o Dureza baixa: Se risca facilmente. Menor transmissão energética solar. o Alguns sofrem instabilidade química e deteriores físico sob ação de:

 Radiação solar ultravioleta  Variação de temperatura da cobertura  Consequências: Redução do coeficiente de transmissão solar e destruição do material.

C) Duplo Vidro  Favorece o efeito estufa  Reduzem as perdas por convecção o Aumenta a temperatura do absorvedor  Maiores perdas por reflexão e absorção o Diminui a temperatura do absorvedor  Rendimento do coletor variará segundo as condições de utilização: o Diferença de temperatura saída do fluido portador de calor-temperatura ambiente o Velocidade do vento o Ângulo de incidência solar

 Comparação de rendimentos I = 1000 W/m 2 ta = 15 ºC

v = 20 km/h

A: Sem cobertura B: Uma cobertura C: Duas coberturas  Dupla cobertura recomendada: o

Baixa temperatura exterior

o

Forte vento

 Em baixas ou medias latitudes: o Instalações de alta montanha  Motivos da maior fabricação de coletores simples cobertura: o Reduzir os custos  Diminuir o período de amortização da instalação o Evitar problemas:  Elevada temperatura suportada na cobertura inferior  Diferentes temperaturas das duas coberturas → diferentes dilatações → maior risco de quebra.

1.1.4 Tratamentos especiais das coberturas •

Tratamento antirreflexo sobre a superfície exterior 

•

Diminuir perdas por reflexão de raios solares incidentes

Tratamento sobre a superfície interior 

Aumentar reflexão de radiações de onda longa sem impedir o passo de radiações de onda curta.

1.2 O absorvedor 1.2.1 Forma e materiais do absorvedor •

Duas placas metálicas separadas entre as que circula o fluido portador de calor.

•

Placa metálica (absorvedor) sobre a que estão soldados os tubos

•

Absorvedores de plástico (piscinas climatizadas)

1.2.2 Revestimento do absorvedor •

Revestimento superfície do absorvedor exposta ao sol:  Pinturas negras / obscuras  Superfície seletivas

•

Pinturas: 

Alto coeficiente de absorção (0,9)



Alto coeficiente de emissão → perdas por emissão que aumentam com a temperatura.

•

Superfícies Seletivas 

Alto coeficiente de absorção (0,8 – 0,9)



Baixo coeficiente de emissão (0,06 – 0,15)



Não existem materiais simples que cumpram simultaneamente estas propriedades

 Tratamento especial das superfícies por superposição de camadas. A: Absorvedor com camada seletiva e duas coberturas B: Absorvedor com camada de pintura e duas coberturas C: Absorvedor com camada seletiva e uma cobertura Subscrito 1: 0,3 kW/m2. Subscrito 2 : 0,6 kW/m2

1.2.3 Características de um absorvedor A) Tratamento das superfícies •

Pinturas: 

Mais econômicas



Melhor comportamento térmico a baixas temperaturas



Deteriores por ultravioletas e variações de temperatura. Renovação.

• Superfícies seletivas 

Melhor comportamento geral



Duração (> 15 anos)

B) Corrosão interna • Não deve ter condutos misto de cobre – ferro para circulação do fluido portador de calor. • Corrosão galvânicas

 Dois metais em contato na presença de dissolução condutora de eletricidade  Serie galvânica de metais o Quanto mais afastados → mais corrosão o Quanto mais próximos → menos corrosão C) Inércia térmica do absorvedor •

Quantidade de calor necessário para elevar a temperatura do absorvedor e do fluido portador de calor em um tempo determinado.

•

Interessa que a inércia térmica do absorvedor seja baixa: •

Radiação ↑: Tta fluido ↑ rapidamente

•

Radiação ↓: Tta fluido ↓ rapidamente. •

Regulador curta a transferência de calor ao deposito

D) Transmissão de calor do absorvedor ao fluido portador de calor • Depende de: 

A condutividade e a espessura do metal que constituía a placa absorvedora



As tubulações: Separação entre eles e diâmetros



Capacidade calorífica do fluido portador de calor



Velocidade do fluido portador de calor



Execução das soldas ou acoplamentos

E) Entradas e saídas do fluido do absorvedor • Há que minimizar as perdas de carga nos orifícios de entrada e saída do absorvedor • Cuidado na solda nesses pontos para não provocar fugas do fluido por quebra das soldas.

1.3 A carcaça

•

Duração normal da carcaça: 15 a 20 anos. Não substituir antes.

• Características e qualidades da carcaça 

Rigidez da carcaça: Ao ser instaladas nos tetos das residências, devem resistir à pressão do vento



Resistência às variações de temperatura:  Variações térmicas → dilatações irregulares na carcaça  Desarticulação

do

equipamento:

desacoplamento,

perdas

de

estanquiedade, separação da chapa posterior. •

Deformação da carcaça: deformação de juntas que unem a carcaça com a cobertura → perda de estanqueidade, má sujeição da cobertura.

•

Resistência à corrosão e a instabilidade química.  A corrosão devido ao meio ambiente: Cuidado com a qualidade e duração do sistema de proteção (pinturas, galvanizado, etc.).  A radiação ultravioleta → Degradação química de carcaças de plásticos → maior fragilidade, aparição de buracos, perda de estanqueidade.

•

Características e qualidades do isolamento •

Resistência a elevadas temperaturas:  Temperatura verão (instalação parada) = 150 ºC

•

Mínimo desprendimento de vapores  Calor: O isolante desprende vapores. o Perigo: Condensação desprende vapores.

•

Resistência ao envelhecimento

•

Resistência a umidade  Perda de qualidade dos isolantes (Ex. lã de vidro)

Material

Lã de vidro

Condutividade

Temperatura

térmica a 50 ºC

máxima de uso

(W/m.K)

(ºC)

0,050

150

Observações

Sensível à umidade

Lã de rocha

0,050

150

Sensível à umidade

Espuma de vidro

0,057

150

Rolha expandida

0,42

110

Poliestireno

0,42

85

Poliuretano

0,027

110

•

https://ww.youtube.com/watch?v=U4K7sl4uJgY

2. Curva característica do Coletor de Placa Plana 2.1 Balanço térmico global do coletor  =  −  • Q util = Energia recolhida pelo fluido portador de calor por unidade de tempo • Q incidente= Energia incidente total (direta+difusa+albedo) por unidade de tempo no absorvedor •

Q Perdas = Energia perdida por dissipação ao exterior por unidade de tempo  = . . . 

τ = Transmitância da cobertura α = Absorbância do absorvedor S = Superfície do coletor I = Radiação incidente total sobre o coletor por unidade de superfície  = .   −   (Eq. Experimental) U1 = Coeficiente global de perdas por radiação, convecção e condução (pode se medir experimentalmente). tc = Temperatura media do absorvedor tm = Temperatura do ambiente Algumas considerações: Difícil medição da tc → calculo de tm = (te – t s)/2 te = Temperatura do fluido na entrada do coletor ts = Temperatura do fluido na saída do coletor tm = Temperatura media do fluido portador de calor

Substituição de tc por t m: • Assume que todo o calor absorvido pelo absorvedor passa ao fluido para se transforma em energia útil → Falso • Há que introduzir um fator Fr que diminuía a energia útil. •

F r é função unicamente da vazão do fluido e das características do absorvedor. •

Fr = Fator de eficiência ou coeficiente de transporte de calor

•

(Fr < 1 sempre)  =  −  =  . . .  −  −  

QUtil = Energia / tempo recolhida pelo fluido portador de calor (W) Fr = Fator de eficiência S = Superfície do coletor (m2) I = Radiação incidente total sobre o coletor por unidade de superfície (W/m2) τ = Transmitância da cobertura α = Absorbância do absorvedor U1 = Coeficiente global de perdas (W/m2 .ºC) tm = Temperatura media do fluido portador de calor (ºC) ta = Temperatura do ambiente (ºC)

2.2 Curvas características de um coletor plano 2.2.1 Rendimento instantâneo  = ⁄.  η = Rendimento instantâneo do coletor  = .  −    −  / •

Os ensaios de coletores se realizam em dias claros e descobertos (exterior) ou com simulador solar (interior).

•

A radiação difusa é muito pequena

•

Amm radiação incidente sobre o coletor pode ser considerar normal à superfície.

•

A representação gráfica da equação  =  .  −    −  / Se faz em função de (tm – ta ) / I Considerando U1 = cte - Gráfica → Linha reta definida por 02 parâmetro • Pendente: -Fr .U1 • Interseção eixo ordenadas: Fr (τ . α)n

•

Qualidade de um coletor → Curva de rendimento instantâneo

•

O coletor será melhor quando: • Maior seja a ordenada na origem: "# $. %& •

Menor seja a pendente: Fr . U 1

Exercícios 1) Obter graficamente a expressão matemática do rendimento instantâneo para o coletor Garol I.

2) Calcular o rendimento instantâneo que se obteria dos coletores Garol I, Solahart M, Solahart J, Solahart K, para umas condições de I = 1000 W/m2, temperatura media do fluido portador de calor = 45 ºC, e temperatura ambiente = 30 ºC. 3) Calcular o rendimento instantâneo que se obteria dos coletores Garol I, Solahart M, Solahart J, Solahart K, para umas condições de I = 1000 W/m2, temperatura media do fluido portador de calor = 90 ºC, e temperatura ambiente = 30 ºC. 4) Calcular o rendimento instantâneo que se obteria dos coletores Garol I, Solahart M, Solahart J, Solahart K, para umas condições de I = 100 W/m2, temperatura media do fluido portador de calor = 45 ºC, e temperatura ambiente = 5 ºC. 5) Calcular o rendimento instantâneo que se obteria dos coletores Garol I, Solahart M, Solahart J, Solahart K, para umas condições de I = 200 W/m2, temperatura media do fluido portador de calor = 45 ºC, e temperatura ambiente = 30 ºC.

6) Qual coletor solar é o melhor: Garol I, Solahart M, Solahart J ou Solahart K? Sob que condições oferece melhor rendimento o coletor solar Isonox II que o Garol I?

3. Balanço de Energia Detalhado •

Um balanço em um coletor plano indica que somente uma fração da radiação total incidente sobre aquele, I. S, pode se utilizar no fluido de trabalho, já que uma parte se perde envolta por condução, convecção e radiação, outras se perde pelas características próprias da reflexão da cobertura e paca de absorção, (τ α); e uma ultima pode ser armazenada no coletor mesmo. Eq.1 •

S, é a área efetiva do coletor

•

q util é o calor útil que é transportado até o fluido de trabalho

•

q perd , corresponde as distintas perdas de calor que experimenta o coletor, e du/dt, é a variação na energia interna armazenada no coletor

•

Por outro lado, se define a eficiência do coletor como a fração da radiação solar incidente sobre a sua superfície que pode ser aproveitada como calor útil, isto é: Eq. 2

•

Na pratica, no entanto, a eficiência se determina experimentalmente segundo um intervalo finito de tempo.

•

Em um teste padrão este período é na ordem de 15 min, entanto que para efeitos de projeto, o período de avaliação pode ser um dia ou um tempo maior. Assim a eficiência media se define como: Eq. 3

• PRODUTO TRANSMITANCIA ABSORTANCIA •

Um parâmetro muito importante no projeto de avaliação dos coletores solares é produto (ατ) do conjunto cobertura – placa de absorção.

•

Como se mostra no esquema da figura, uma fração ατ da energia incidente sobre a cobertura se absorve na placa de absorção, entanto que uma fração τ(1-α) volta de novo por reflexão, provavelmente difusa, até a cobertura.

•

Uma quantidade $1 − %() se reflete de novo na cobertura até a placa de absorção. Nesta ultima se absorve uma fração $%1 − % () e o processo continua. Segundo o explicado:

• A refletância difusa ρd pode se estimar supondo condições de reflexão especular na cobertura para um ângulo de incidência de 60 ºC. Assim, para 1, 2, 3 ou 4 coberturas, os valores de τα são aproximadamente 0,16; 0,24; 0,29; e 0,32, respectivamente.

• PERDAS DE CALOR •

As perdas térmicas em um coletor solar podem se expressar como uma relação da seguinte forma: Eq.4

•

U L é o coeficiente total de perdas de calor, Tp é a temperatura media da placa de absorção e Ta é a temperatura ambiente.

•

A avaliação numérica do coeficiente total de TC requer de uma analise detalhada. No modelo a seguir se tomarão as seguintes hipóteses:

•

O coletor opera em estado estável

•

A diferença de temperatura entre a arte superior e a inferior da placa absorvedora é desprezível.

•

O fluxo de calor através das coberturas e o fundo do coletor é unidimensional

•

A irradiação sobre a superfície do coletor é uniforme

•

O céu se comporta para efeitos de radiação infravermelha como um copo negro a uma temperatura equivalente.

A condutância térmica para o fundo do coletor é: Eqs. 5 •

A condutância para a parte superior do coletor pode se avaliar determinando as resistência térmicas R3 , R4 , R5.

• O calor se transfere entre a placa e a cobertura inferior, assim como entre as duas coberturas por convecção e radiação de forma paralela. •

Os mesmo mecanismo de transferência são igualmente importante na dissipação de calor por parte da cobertura exterior até o ar ambiente e o firmamento.

•

Assim pode se determinar o calor transferido entre a placa absorvedora e a cobertura interior da seguinte maneira: Eqs. 6 – 10

•

Note-se que a resistência R3 pose se incrementar substancialmente diminuindo o coef. de TC hr2.O anterior pode se conseguir fazendo com que ε p adquira valores numéricos pequenos, como é o caso das superfícies seletivas.

•

Finalmente para se avaliar a resistê...