Caracterização numérico-experimental do desempenho térmico de coletores solares poliméricos de cobertura semitransparente

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014.O uso de coletores solares é uma forma limpa e econômica de aquecer água para variados fins; prova disto é o crescente mercado mundial. Neste contexto, vê-se no mercado brasileiro, principalmente nos últimos 5 anos, o surgimento de um concorrente para os coletores solares de placa plana vidro-metálicos: os coletores solares poliméricos. Estes são constituídos de polímeros opacos e negros que absorvem a radiação solar e transferem esse calor à água por um processo de condução seguida de convecção. Como os polímeros, comumente, apresentam baixa condutividade térmica, há uma dificuldade inerente no desempenho destes, e, devido a esta limitação de desempenho, os coletores poliméricos acabam restringindo-se a aplicações de baixa temperatura. Visando alterar este panorama, propõe-se uma configuração alternativa para os mesmos, qual seja, a substituição da camada superior opaca por uma semitransparente, proposta esta batizada de coletor solar duopolimérico, e que se aproveita da baixa condutividade térmica dos polímeros. Com o intuito de entender as potencialidades dos coletores solares duopoliméricos, o presente trabalho: (i) apresenta um inventário de modelos matemáticos que representam os fenômenos físicos envolvidos, (ii) elabora um algoritmo computacional para a obtenção do perfil térmico do coletor solar e a sua curva de desempenho, (iii) realiza um ensaio experimental a fim de validar os resultados obtidos numericamente e (iv) conduz análises de sensibilidade para uma gama de variáveis visando aumentar o desempenho térmico do coletor solar. Por meio dos resultados, conclui-se que o coletor solar duopolimérico supera a curva de desempenho de coletores solares poliméricos tradicionais, aproximando-se do desempenho de coletores solares de placa plana vidro-metálicos. Por fim, algumas sugestões de trabalhos futuros são apresentadas, com as quais acredita-se aprimorar ainda mais a curva de desempenho dos coletores solares duopoliméricos.Abstract : Solar thermal collectors are a clean and economical mean of heating water for differents purposes; proof of that is the growing global market. In this context, specially in the last 5 years, emerges a competitor for the traditional flat plate collectors in the Brazilian market: polymeric collectors. These collectors are made of opaque and black polymers that absorbs solar radiation and transfer the referred heat to water through a process of conduction followed by convection. As polymers generally has low thermal conductivity, there is an intrinsic difficulty in their performance, and because of this performance limitation, the application of polymeric solar collectors narrows to low temperature only. Aiming to change this panorama, a new configuration for these collectors is proposed, which is the substitution of the opaque upper layer for a semitransparent one; this proposal, named as duopolymeric solar collector, takes advantage of the low thermal conductivity of polymers. In order to understand the potential of duopolymeric solar collectors, this work: (i) presents an inventory of mathematical models that represents the involved physical phenomena, (ii) elaborates a computational algorithm to obtain the thermal profile of the solar collector and its thermal performance curve, (iii) executes experimental testing of a prototype for the purpose of validation of the results obtained numerically, (iv) leads sensibility analysis for a range of variables targeting to increase the thermal performance of the solar collector. By means of the results, it is concluded that the duopolymeric solar collector surpass the thermal performance curve of conventional polymeric solar collectors, approaching the performance of flat plate solar collectors. Finally, some suggestions for future works are made, which are believed to improve even more the thermal performance curve of duopolymeric solar collectors