Simulação numérica dos campos de temperatura e velocidade em armazenadores térmicos

Abstract

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.