No presente trabalho avalia-se o comportamento da difusão e da convecção natural em sistemas térmicos que possuem armazenadores de calor, como os que envolvem coletores solares ligados a reservatórios de água quente. Através da solução das equações diferenciais que regem o problema, obtém-se os campos de velocidade e temperatura no interior destes armazenadores. Este último, especialmente, é importante para a determinação da performance térmica de todo o sistema. A intensidade da estratificação térmica depende do fluxo de entrada e saída de água no reservatório, da sua razão de aspecto, da posição da resistência elétrica de apoio, se ela existir, da espessura e difusividade térmica da parede e da espessura e material do isolamento térmico. A perda de calor para o meio ambiente causa um fluxo de líquido descendente, junto às paredes do reservatório, incorrendo em camadas limites hidrodinânlica e térmica. Além do papel destas camadas limites, também investiga-se a importância relativa da difusão de calor através da parede metálica do armazenador, na sua direção axial (altura). Não são investigados neste trabalho os efeitos de entrada e saída do líquido do armazenador, e também as correntes convectivas originadas do suprimento de calor por resistência elétrica. As equações da energia e do movimento são resolvidas de forma acoplada, em coordenadas cilíndricas axissimétricas, em regime transiente, empregando o Método dos Volumes Finitos. / In the present work the diffusion behavior as well as the natural convection in thermal systems that possess heat reservoirs, like the ones that involve solar collectors connected to hot water reservoirs, have been evaluated. Through the solution of the differential equations that describe the problem, the velocity fields and the internal temperature of these tanks have been obtained. The last one is specially important for the determination of the thermal performance of the whole system. Intensity of the thermal stratification depends on the entrance and exit water flow in the reservoir, on the tanks aspect ratio, on the position support of the electrical resistance, if it exists, on the thickness and thermal diffusion of the wall and on the material of thermal insulation. The loss of heat for the environment brings about a descending liquid flow, next to the walls of the reservoir, ending up by creating hidrodynamic and thermal boundary layers. Besides the role of these boundary layers, the relative importance o f the heat diffusion through the metallic wall of the reservoir in its axial direction (height), also has been investigated. The effects of the entrance and exit of liquid in the reservoir, as well as the convective currents originated from the heat supplied by electric resistance have not been investigated. The energy and moment equations are solved in a coupled way, in axissimetrical cilyndrical coordinates, in transient regime, employing a Finite Volume Method.

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações. / This thesis presents an analysis of the thermal behavior of a thermosyphon solar water heating system. In these systems the collector fluid circulates by natural convection, i.e., due to the density difference along the system. The mass flow rate varies along the day and the year, depending on the absorbed solar radiation, the system fluid temperatures, the system geometry, the demand conditions and others factors. Preliminary calculations and measurements were performed on the mass flow rate, fluid and storage tank temperatures. Comparison between experimental and predicted theoretical results is presented. The results analysis was used on the development of TermoSim: a software for computer simulation of solar water heating systems. The mathematical models considered on TermoSim comprises mainly the solar collectors, storage tanks and connecting pipes. The solar collectors are modeled according the classical quasi-steady approximation by Hottel-Bliss-Whillier theory. The storage tank is modeled as stratified liquid tank with multinodal convection and conduction. The collector mass flow rate is evaluated from a balance between the friction pressure drop and the pressure due to density differences along the thermosyphon circuit (thermosyphon head). The models were validated from the comparison between simulated results and experimental data. It was found that the models are adequate to reproduce accurately the thermal behavior for the solar collector and storage tank. Besides the software TermoSim, it was also developed the program TermoDim, which is a design tool that requires only system geometric parameters, monthly averaged meteorological data and information about the load amount. TermoDim is appropriate for estimating the performance of thermosyphon systems with vertical and horizontal storage tanks. The design method was based on the correlation for the system monthly efficiency obtained in this Thesis from a large number of simulations.

O objetivo deste trabalho é investigar o desempenho energético de dois diferentes tipos de sistemas de aquecimento de piscinas: á gás natural e por bomba de calor elétrica. Foi realizada instrumentação em duas piscinas localizadas em uma mesma academia, cada uma delas dotada de um dos tipos de sistema de aquecimento. Além destas duas piscinas, que são objeto de investigação desta pesquisa, outras quatro piscinas, localizadas cada uma em um local distinto na cidade de São Paulo, também receberam instrumentação e a coleta de dados está sendo executada através de sistemas de aquisição de dados, para posterior análise e novos trabalhos de pesquisa. Como resultados da análise das duas piscinas, obteve-se um coeficiente de desempenho - COP, médio para o sistema de aquecimento por bomba de calor igual a 4. Para o sistema a gás natural, os resultados para a eficiência global do sistema indicaram 76%, ao passo que o rendimento apenas dos aquecedores foi de 82%. As análises dos dados permitiram comprovar a influência da temperatura ambiente sobre o COP da bomba de calor. Quanto menor a temperatura do ar, menor o COP. A Temperatura do ar também mostrou forte influência sobre o consumo de energia. / The aim of this research is to investigate the energetic performance of two distinct kinds of swimming pool heating systems: gas-fired and electric heat pump. A practical instrumentation research was prepared in these two indoor swimming pools, placed in the same location. Besides these, other four swimming pool, placed each in a different ambient in the city of São Paulo also received the instrumentation so that it will be possible to run future researches, once the data is already being collected by the data loggers installed. As a result of the data analysis, it was found that the average coefficient of performance of the heat pumps studied is 4. For the natural gas fired system, the global efficiency factor was found to be 76%. The efficiency of the heaters isolated was found to be 82%. This research showed that the COP of heat pump systems has strong correlation with the air temperature. The lower the air temperature, the lower the COP. Temperature also has strong influence on the consumption of energy.

O objetivo deste trabalho é investigar o desempenho energético de dois diferentes tipos de sistemas de aquecimento de piscinas: á gás natural e por bomba de calor elétrica. Foi realizada instrumentação em duas piscinas localizadas em uma mesma academia, cada uma delas dotada de um dos tipos de sistema de aquecimento. Além destas duas piscinas, que são objeto de investigação desta pesquisa, outras quatro piscinas, localizadas cada uma em um local distinto na cidade de São Paulo, também receberam instrumentação e a coleta de dados está sendo executada através de sistemas de aquisição de dados, para posterior análise e novos trabalhos de pesquisa. Como resultados da análise das duas piscinas, obteve-se um coeficiente de desempenho - COP, médio para o sistema de aquecimento por bomba de calor igual a 4. Para o sistema a gás natural, os resultados para a eficiência global do sistema indicaram 76%, ao passo que o rendimento apenas dos aquecedores foi de 82%. As análises dos dados permitiram comprovar a influência da temperatura ambiente sobre o COP da bomba de calor. Quanto menor a temperatura do ar, menor o COP. A Temperatura do ar também mostrou forte influência sobre o consumo de energia. / The aim of this research is to investigate the energetic performance of two distinct kinds of swimming pool heating systems: gas-fired and electric heat pump. A practical instrumentation research was prepared in these two indoor swimming pools, placed in the same location. Besides these, other four swimming pool, placed each in a different ambient in the city of São Paulo also received the instrumentation so that it will be possible to run future researches, once the data is already being collected by the data loggers installed. As a result of the data analysis, it was found that the average coefficient of performance of the heat pumps studied is 4. For the natural gas fired system, the global efficiency factor was found to be 76%. The efficiency of the heaters isolated was found to be 82%. This research showed that the COP of heat pump systems has strong correlation with the air temperature. The lower the air temperature, the lower the COP. Temperature also has strong influence on the consumption of energy.

Este trabalho apresenta uma metodologia de avaliação da incerteza associada à medição do desempenho térmico de coletores solares térmicos, utilizados em aquecedores de água residenciais. A determinação desta grandeza tem influência direta na estimativa da fração solar obtida pelo sistema, e consequentemente no tempo de retorno sobre o investimento do mesmo. Coletores solares planos, construídos a partir de perfis de alumínio, com absorvedores metálicos, pintura preta não seletiva, tubulação interna de cobre, cobertura de vidro simples e isolante térmico na parte traseira, foram ensaiados individualmente em laboratório para determinação do seu desempenho. O procedimento adotado foi o indoor, onde os ensaios são realizados sob um simulador artificial de radiação solar, e envolveu a configuração da câmara de testes, estabilização das variáveis ambientais, ensaios das amostras, cálculo do desempenho térmico e estimativa da sua incerteza associada. Esta última levou em consideração as contribuições da instrumentação empregada, da estabilidade temporal das condições de contorno para realização das medições e do método estatístico utilizado na determinação da curva de desempenho térmico do coletor. Ao final do estudo foram ponderados os limites aceitos pelo programa de etiquetagem brasileiro de coletores em comparação com os resultados obtidos. / This work presents a methodology for assessing the thermal performance uncertainty of solar collectors used in residential water heaters. The uncertainty has a direct influence on the solar fraction prediction and consequently on its payback time. Flat solar collectors, built in aluminum frames, metallic absorber with non-selective black paint, copper pipes, single glass cover and thermal insulation on the back, were tested individually at the laboratory to measure their performance. The test procedure was the indoor, performed on an artificial solar simulator, and included the test chamber set-up, environmental variables control, sample testing, thermal performance calculating and its uncertainty estimate. The latter considered the instrumentation, temporal stability of variables and the statistical method used on the collectors thermal performance curve fitting. The study also compared the results obtained with the performance limits accepted by the Brazilian collector labeling program.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:36:52Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2162_1.pdf: 3438669 bytes, checksum: 36edd82ab98a2cf9ecab10dfab89b7a6 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco / Alem do uso doméstico, a energia solar possui amplo potencial de aplicação em processos industriais. Hoje a maioria desses processos utiliza como fonte energetica combustíveis nao renováveis ou biomassa, cuja queima provoca os impactos ambientais já conhecidos. A utilização ao da energia solar pode reduzir a dependência do uso desses combustíveis e os seus conseqüentes impactos ao meio ambiente. O objetivo desse trabalho é fazer um estudo de viabilidade técnicoeconômica de um sistema de aquecimento de água solar aplicado a uma lavanderia na cidade de Recife, no nordeste do Brasil. Para a realização do estudo foi feita a modelagem e simulação do comportamento termico de um sistema de coletores planos. O dimensionamento do sistema utilizou como parâmetro a economia do ciclo de vida anualizada do sistema solar comparado ao sistema já instalado na indústria, que utiliza gás natural como combustível. Os resultados mostraram que a redução de combustível a ser conseguida através do aquecimento solar é suficiente para tornar viável a utilização dessa fonte alternativa de energia neste tipo de indústria

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertacaoMarcosVSchlichting.pdf: 1630212 bytes, checksum: ac35da2426e86a1f7ad159d82eaf4416 (MD5) Previous issue date: 2015-03-12 / This study evaluated a prototype for heating water for use in the agricultural industry, based on the principle of magnetic induction to generate thermal energy through the eddy currents associated with a mechanical energy source for variation of magnetic flux produced by permanent magnets, configured with four six magnets with and without pole reversal, as compared with the water heating done through a resistive system. Induced systems obtained yield 64.74%, 65.13% and 64.48% for six magnets without inversion (6ISI), four magnets with reverse (4ICI) and four magnets without inversion (4ISI) respectively. The resistive system showed 89.21% efficiency, demonstrating greater viability in the study conditions. / O presente trabalho avaliou um protótipo para aquecimento de água para uso na agroindústria, baseado no princípio da indução magnética para geração de energia térmica através das correntes de Foucault associado a uma fonte de energia mecânica para variação do fluxo magnético produzido por imãs permanentes, configurado com quatro e seis imãs com e sem inversão de polos, em comparação com o aquecimento de água feito através de um sistema resistivo. Os sistemas induzidos obtiveram rendimento de 64,74 %, 65,13 % e 64,48 % para seis imãs sem inversão (6ISI), quatro imãs com inversão (4ICI) e quatro imãs sem inversão (4ISI) respectivamente. O sistemas resistivo apresentou eficiência de 89,21%, demonstrando maior viabilidade nas condições do estudo

Os sistemas solares de aquecimento de água são uma forma de produção de energia não poluente, que já faz parte da matriz energética brasileira. O uso deste tipo de sistemas traz benefícios econômicos ao país e principalmente a quem os utiliza, devido à poupança no uso de outras fontes de energia para o aquecimento da água. No Brasil o aquecimento solar de água é realizado, principalmente, por coletores solares planos, tecnologia bem conhecida e fabricada no país a preços baixos. Mas atualmente há uma outra tecnologia que está sendo difundida no âmbito nacional, os coletores solares de tubos a vácuo, os quais estão sendo produzidos internacionalmente em uma escala maior, importados e comercializados a preços mais competitivos no mercado nacional. Por isto é necessário entender estes sistemas e o seu funcionamento para evitar erros na sua instalação e otimizar sua operação. Nesta dissertação é realizada uma análise comparativa de um sistema de aquecimento de água composto por um coletor solar de tubos de vidro a vácuo de extração de calor por transferência direta operando em circulação forçada com o mesmo sistema operando em circulação por termossifão. Esta comparação foi realizada determinando a energia anual que o sistema pode produzir para cada tipo de circulação, a qual foi calculada usando como referência a norma ISO 9459-2 e os dados climáticos da cidade de Porto Alegre do Estado do Rio Grande do Sul. Também foram realizadas medições da vazão em termossifão, entre o reservatório e o coletor solar, e foi determinado o coeficiente de perdas térmicas do tanque reservatório segundo os procedimentos da mesma norma. Para isto foi realizada a montagem de uma bancada experimental, com sensores e instrumentos de medida que foram calibrados. Para o sistema de aquecimento testado, os resultados mostram que o sistema trabalhando em circulação por termossifão produz maior quantidade de energia no ano do que o sistema em circulação forçada, onde se observou que a estratificação no tanque reservatório era menor. Também foi observado que a máxima vazão em termossifão para este sistema de aquecimento de água foi de 0,5 L/min. / Solar water heating systems are a method of clean energy production, which is already part of the Brazilian energy matrix. The use of these systems brings economic benefits to the country and especially who use them due to savings in the use of other sources of energy for heating water. In Brazil, the solar water heating is carried out mainly by flat solar collectors, which is a widely known technology because it is produced in the country at low prices. But recently, there is another technology that is being used named: evacuated solar collectors. These collectors are being worldwide produced on a large scale and they are imported and inserted at competitive prices in the domestic market. Therefore it is necessary to understand these systems and their operation to avoid errors in its installation and optimize their operation. In this work, it is accomplishing a comparative analysis of a solar water heating system composed by a water-in-glass evacuated tube solar collector working in forced circulation with the same system working in thermosyphon circulation. This comparison was performed by determining the annual energy that the system can produce for each type of circulation, which was calculated based on the ISO 9459-2 standard and the climatic data of the Porto Alegre city, state of the Rio Grande Do Sul. Also, it was performed thermosyphon measurements between the thermal reservoir and the solar collector, and it was calculated the heat loss coefficient from the reservoir tank according to the procedures of ISO 9459-2 standard. To do so, a testing bench was made, with sensors and measuring instruments which were calibrated before use. For the heating system tested, the results show that the system with thermosyphon circulation produces more annual energy than the forced circulation system where the water temperature stratification in the thermal reservoir was lower. Also, it was observed that the maximum thermosyphon flow for this solar water heating system was 0,5 L/min.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-26T18:12:00Z No. of bitstreams: 1 153301.pdf: 2496023 bytes, checksum: 1857c5440692cd92861a02e00281073a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-26T18:12:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 153301.pdf: 2496023 bytes, checksum: 1857c5440692cd92861a02e00281073a (MD5) Previous issue date: 1980-06 / FINEP / CNPq / Estudo teórico-experimental do comportamento diário de um concentrador solar cilindro-parabólico eixo leste-oeste, associado a um tanque de estocagem. O protótipo construído consta de um refletor metálico de 2m² de área, distância focal 0,25m e de dois tubos: um absorvedor (de aço enegrecido) envolvido por outro de vidro, sendo os diâmetros nominais 25,4 e 52mm respectivamente. O tanque de estocagem tem capacidade de 90 l, o fluido de trabalho é água escoando a uma vazão de 200t/h numa tubulação de aço com diâmetro de 25,4mm, sendo o isolamento lã de vidro. Sob diferentes condições diárias de insolação, velocidade de vento e temperatura ambiente foram efetuados diversos testes, com o protótipo, fixada a vazão do fluido de trabalho, medindo-se as seguintes temperaturas: de entrada e saída do fluido de trabalho no concentrador, do fluido no interior do tanque de estocagem, e da superfície do tubo absorvedor. Como resultado de um balanço de energia no concentrador, foi obtido um sistema de equações não lineares que representa seu comportamento para diferentes variáveis de projeto, sendo incluídas ou não aquelas utilizadas no protótipo. Para a obtenção da solução foi utilizado o método iterativo de Newton-Raphson. Assim, para idênticas condições de insolação foi realizado um estudo comparativo entre o modelo considerado e o protótipo. Conseguiu-se também através da simulação uma previsão do funcionamento do concentrador solar para vários parâmetros de projeto diferentes daqueles utilizados no protótipo construído. Utilizou-se com este fim o modelo determinístico de insolação direta de Dogniaux. A boa concordância verificada entre os resultados teóricos a partir do modelo e experimentais pelo protótipo, indica que o estudo teórico desenvolvido pode ser utilizado no projeto e na previsão do comportamento de outras unidades de concentração com: valores maiores para o fator de concentração e para o comprimento do tubo absorvedor. / A theoretic-experimental study was developed for a cylindrical parabolic focussing collector east-west axis oriented, associated with a heat storage tank. The prototype consists of a metalic thin sheet reflector (2m² surface, 0.25 focal length) and two concentric pipes: a receiver tube (steel black painted) and an exterior glass tube wi th the following nominal diameters 25.4 and 52mm. The thermal storage vessel has a capacity of 90 l, and the working fluid is water flowing at a rate of 200 l/h inside a l" steel piping. All the system was isolated with a glass wool. The prototype was submitted to various testing solar insolation condutions, wind speeds,ambient temperatures. For a fixing rate of flow of the working fluid, several temperatures were measured as follows: inlet and outled fluid temperature in the receiver tube, bulk fluid temperature in the storage vessel, medium surface temperature in the receiver tube (in two points). An energy balance in the concentrator gives a non-linear equations system representing its behaviour during direct insolation daily variation. The solution was obtained using an iterative algorithm. Using the same insolation conditions it was made a comparison between the theoretical and the experimental data, and the results showed that the model represents with good accuracy the considered system. ln the theory other parameters were considered besides the ones used in the constructed prototype, in order to generalize the study. Also, the theorétical model was used to simulate the behaviour of the system for other dimensions (concentration factors, tube receiver lengths). For these aims it has been utilized the Dogniaux direct insolation deterministic model. The good accuracy of the results obtained from the prototype and the model shows that the developed the oretical study can be used to design and to simulate the ehavior of a cylindrical parabolic focussing collector increasing the concentration factor and receiver tube.

Os sistemas solares de aquecimento de água são uma forma de produção de energia não poluente, que já faz parte da matriz energética brasileira. O uso deste tipo de sistemas traz benefícios econômicos ao país e principalmente a quem os utiliza, devido à poupança no uso de outras fontes de energia para o aquecimento da água. No Brasil o aquecimento solar de água é realizado, principalmente, por coletores solares planos, tecnologia bem conhecida e fabricada no país a preços baixos. Mas atualmente há uma outra tecnologia que está sendo difundida no âmbito nacional, os coletores solares de tubos a vácuo, os quais estão sendo produzidos internacionalmente em uma escala maior, importados e comercializados a preços mais competitivos no mercado nacional. Por isto é necessário entender estes sistemas e o seu funcionamento para evitar erros na sua instalação e otimizar sua operação. Nesta dissertação é realizada uma análise comparativa de um sistema de aquecimento de água composto por um coletor solar de tubos de vidro a vácuo de extração de calor por transferência direta operando em circulação forçada com o mesmo sistema operando em circulação por termossifão. Esta comparação foi realizada determinando a energia anual que o sistema pode produzir para cada tipo de circulação, a qual foi calculada usando como referência a norma ISO 9459-2 e os dados climáticos da cidade de Porto Alegre do Estado do Rio Grande do Sul. Também foram realizadas medições da vazão em termossifão, entre o reservatório e o coletor solar, e foi determinado o coeficiente de perdas térmicas do tanque reservatório segundo os procedimentos da mesma norma. Para isto foi realizada a montagem de uma bancada experimental, com sensores e instrumentos de medida que foram calibrados. Para o sistema de aquecimento testado, os resultados mostram que o sistema trabalhando em circulação por termossifão produz maior quantidade de energia no ano do que o sistema em circulação forçada, onde se observou que a estratificação no tanque reservatório era menor. Também foi observado que a máxima vazão em termossifão para este sistema de aquecimento de água foi de 0,5 L/min. / Solar water heating systems are a method of clean energy production, which is already part of the Brazilian energy matrix. The use of these systems brings economic benefits to the country and especially who use them due to savings in the use of other sources of energy for heating water. In Brazil, the solar water heating is carried out mainly by flat solar collectors, which is a widely known technology because it is produced in the country at low prices. But recently, there is another technology that is being used named: evacuated solar collectors. These collectors are being worldwide produced on a large scale and they are imported and inserted at competitive prices in the domestic market. Therefore it is necessary to understand these systems and their operation to avoid errors in its installation and optimize their operation. In this work, it is accomplishing a comparative analysis of a solar water heating system composed by a water-in-glass evacuated tube solar collector working in forced circulation with the same system working in thermosyphon circulation. This comparison was performed by determining the annual energy that the system can produce for each type of circulation, which was calculated based on the ISO 9459-2 standard and the climatic data of the Porto Alegre city, state of the Rio Grande Do Sul. Also, it was performed thermosyphon measurements between the thermal reservoir and the solar collector, and it was calculated the heat loss coefficient from the reservoir tank according to the procedures of ISO 9459-2 standard. To do so, a testing bench was made, with sensors and measuring instruments which were calibrated before use. For the heating system tested, the results show that the system with thermosyphon circulation produces more annual energy than the forced circulation system where the water temperature stratification in the thermal reservoir was lower. Also, it was observed that the maximum thermosyphon flow for this solar water heating system was 0,5 L/min.