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TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM UM PAINEL SOLAR.
André Kempka, Fernando Lopes Nunes
URI -, Universidade Regional Integrada, Curso de Engenharia Industrial
Mecânica – E.I.M.
Campus II – RS 331, n° 345 – Bairro Demoliner CEP 99700-000, Erechim, RS.
E-mail para correspondência:
[email protected]
Resumo. O trabalho apresenta a análise de um painel solar. O objetivo foi
calcular através dos dados medidos na bancada a eficiência do equipamento.
Foram medidas as temperaturas necessárias para calcular de forma analítica
qual a taxa de transferência de calor para o volume de controle. Foi
possível observar que esse equipamento tem uma boa eficiência, e quando
usado em residências a mesma massa de água passa várias vezes pelo
equipamento, e isso aumenta significativamente a temperatura final da água.
Palavras chave: radiação solar, convecção, eficiência, painel solar.
1-Introdução
O painel solar é um equipamento que recebe calor do sol e o transfere
para uma determinada quantidade de água, que escoa no interior da
tubulação, onde no presente caso de estudo a convecção é forçada. Sua maior
aplicação é residencial, para aquecer água, em alguns casos a água ainda
passa por outro equipamento para receber mais calor, mas em determinadas
condições esse processo não é necessário.
Esse equipamento tem sido muito utilizado, já que as suas vantagens da
energia solar não são apenas econômicas, mas também ambientais, pois é uma
fonte limpa e inesgotável.
O objetivo deste experimento é saber qual a eficiência do equipamento.
Para isso será necessário calcular a transferência de calor do sol para a
água. Para realizar a análise será preciso obter a temperatura da água na
entrada e na saída da tubulação, na superfície externa do tubo, e
velocidade do fluido, que foram medidos na bancada. A temperatura ambiente
também foi quantificada para a análise da transferência de calor.
2-Modelagem do Problema
Para modelar o problema foi preciso obter algumas propriedades dos
materiais usados no experimento. A condutividade térmica da água foi
considerada para uma temperatura média entre a entrada e a saída, o valor
utilizado foi de k=0,590W/(m.K) (INCROPERA et al., 2008), essa propriedade
foi considerada constante, pois a variação de temperatura foi pequena. A
condutividade térmica do PVC é k=0,156W/(m.K) (LIMA, Silva Guimarães.,
2000) . A condutividade térmica do ar na temperatura de 20 ºC, que era a
temperatura ambiente no dia da realização do experimento, é de k=26,3x10-3
W/(m.K) (INCROPERA et al., 2008).
O experimento foi realizado em boas condições solares e as medidas de
temperatura foram obtidas em condições de regime permanente, depois da
estabilização do sistema.
2.1 Condução
A condução térmica é um dos meios de transferência de calor que
geralmente ocorre em materiais sólidos, é a propagação do calor por meio do
contato de moléculas. Ocorre a propagação de calor sem transporte da
substância formadora do sistema, ou seja, através de choques entre suas
partículas integrantes, essa transferência ocorre das partículas mais
energéticas para as menos energéticas (INCROPERA et al., 2008). A Fig. 1
mostra como ocorre o processo de condução.
Figura 1 – Transferência de calor por condução.
O estudo da condução no experimento é necessário na parede da
tubulação, como as condutividades térmicas são consideradas constantes e
que a condução é unidimensional e em regime permanente, para calcular a
taxa de transferência de calor por condução foi utilizada a seguinte
equação:
(1)
onde qcond é a taxa de transferência de calor por condução, T é a
temperatura do ambiente, Ti é a temperatura no interior do tubo, Rtot é a
resistência total a condução e L é o comprimento total da tubulação.
2.2 Convecção
A convecção abrange dois mecanismos de transferência de energia, um
devido ao movimento molecular aleatório, e outro através do movimento
global, ou macroscópico do fluido. Esse movimento do fluido está associado
ao fato de que em um instante qualquer, um grande número de moléculas está
se movendo coletivamente ou como agregado. Tal movimento, na presença de um
gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor
(INCROPERA et al., 2008). A Fig. 2 mostra como ocorre o processo de
convecção.
Figura 2 – Transferência de calor por convecção.
A convecção pode ser forçada, quando se origina de uma condição motriz
externa, ou natural que ocorre devido a variação de massa específica.
A convecção forçada ocorre no interior do tubo, transferindo calor
para a água, foi usada a Eq. 2 para quantificar essa transferência de
calor.
(2)
onde qconv é a taxa de transferência de calor por convecção forçada, h é
coeficiente de transferência de calo por convecção, TS é a temperatura
superficial, Tf é a temperatura da água e A é a área superficial da
tubulação.
A convecção natural ocorre na parte externa do tubo, para calculá-la
pode-se aplicar a seguinte equação:
(3)
onde qnat é a taxa de transferência de calor por convecção forçada e D é o
diâmetro externo da tubulação.
2.3 Radiação
A radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a
uma temperatura não nula, podendo ocorrer em superfícies sólidas, gases ou
líquidos. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a
mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que
constituem a matéria (INCROPERA et al., 2008). A energia do campo de
radiação é transportada por ondas eletromagnéticas, não precisando de um
meio material para o transporte. No experimento realizado é por esse
mecanismo que se transfere energia solar para a superfície da tubulação.
Para quantificar a energia que chegou por radiação solar foi feito o
balanço de energia pela primeira lei da termodinâmica, como segue:
(4)
onde qrad é a taxa de transferência de calor por radiação, U é a energia
interna, m é a massa de fluido, V é a velocidade do fluido, g é a força
gravitacional, z é a cota e W é o trabalho.
3-Aparato Experimental
A bancada construída para realização do experimento desempenha a
função de um painel solar e está mostrada na Fig. 3, o volume de controle é
alimentado por água, que é aquecida através da radiação que chega do sol. O
escoamento ocorre no interior do tubo e a troca de calor através de sua
parede por condução e para o fluido por convecção.
A bancada de teste foi confeccionada por tubos de PVC rígido com
diâmetro interno de 12,7mm e com 2mm de espessura de parede. Os tubos foram
montados juntamente com as conexões, na forma de serpentina em uma base de
madeira, com uma chapa metálica no fundo. Para melhorar a coleta da energia
solar colocou-se no eixo focal de cada tubo um refletor em forma de "V"
revestido com papel alumínio. Após a montagem da serpentina o aparato
recebeu uma camada de tinta preto fosco para melhorar a absorção de calor
da superfície. A serpentina teve um comprimento útil de tubo de 7,5m.
Figura 3 – Bancada usada para análise experimental.
4-Resultados
Para prever o desempenho de um painel solar é essencial relacionar a
taxa total de transferência de calor a grandezas que foram medidas no
experimento, tais como as temperaturas de entrada e de saída da água, a
temperatura da superfície do tubo, a temperatura ambiente e a área
superficial total disponível para a troca de calor, também foram
necessários dados tabelados como a condutividade térmica da água e do PVC.
O calor é transferido para o painel através da radiação solar, que foi
quantificada pelo balanço de energia. Para calcular o balanço foi
necessário calcular os valores do calor transferido por condução na parede
do tubo, por convecção forçada no seu interior onde há escoamento de água e
por convecção natural na superfície externa. Com os resultados obtidos,
calculou-se a eficiência do equipamento.
As temperaturas e a vazão mássica foram obtidas após a estabilização
do sistema, o que levou cerca de trinta minutos. Esse procedimento se
tornou necessário para o escoamento entrar em regime permanente. O valor
obtido para a vazão foi de 2,5x10-3 kg/s.
A Tab. 1 mostra as temperaturas medidas durante a realização do
experimento, para a temperatura superficial foi calculada a média.
Tabela 1 – Temperaturas medidas durante a realização do experimento.
"Local "Temperatu"
" "ra "
"Superfí"39 °C - "
"cie "312 K "
"Entrada"16 °C - "
" "289 K "
"Saída "20 °C - "
" "293 K "
Com todos os dados comentados anteriormente e os mostrados na Tab. 1,
foram realizados os cálculos da taxa de transferência de calor e obtidos os
resultados que estão mostrados na Tab. 2.
Tabela 2 – Resultados obtidos para a transferência de calor.
"Mecanismo de Transferência de Calor "Taxa de Transferência de"
" "Calor "
"Condução na Parede do Tubo "174 W "
"Convecção Forçada na Parede do Tubo "1193 W "
"Convecção Natural na Superfície Externa"21 W "
"do Tubo " "
"Radiação Solar "1388 W "
Como o calor chega somente por radiação, fazendo o balanço de energia,
a taxa de transferência de calor por radiação é igual à soma de todos os
outros mecanismos de transferência de calor presentes no experimento.
A eficiência calculada para o experimento foi considerada como a
relação entre a energia total que chega ao equipamento e a energia líquida
que chega à água. O valor obtido para a eficiência foi de 86%, ou seja 14%
da energia que chega é perdida.
5-Conclusão
Por meio deste trabalho foi possível analisar como um painel solar
funciona para aquecer uma determinada massa de água pela radiação solar. A
camada superficial de tinta preto fosco e o refletor em forma de "V"
revestido com papel alumínio aumentam a absorção da radiação.
Conseqüentemente a eficiência também é aumentada.
O painel solar conseguiu transportar para a água cerca de 86% da
energia térmica que recebeu por radiação do sol, pode-se considerar essa
eficiência muito satisfatória, mas ainda é possível melhorar. Uma das
possibilidades seria adicionar uma placa de vidro em frente a tubulação,
isso teoricamente eliminaria a perda de calor por convecção natural, e além
disso criaria uma espécie de efeito estufa dentro do equipamento. Em
valores percentuais eficiência aumentaria cerca de 2% a 3%, esse aumento
deve ser considerado, pois essa pequena porcentagem a mais geralmente será
vantajosa em relação ao aumento do custo na fabricação do equipamento.
7-Referências Bibliográficas
INCROPERA, Frank P. et al. "Fundamentos de Transferência de Calor e de
Massa", 6° ed. LTC, Rio de Janeiro, RJ, 643p. 2008.
