Estudo do desenvolvimento dos perfis térmico e hidrodinâmico em duto circular pelo método ADI

Esta Dissertação apresenta um algoritmo para a detenninação dos perfis de velocidade e temperatura na região de entrada de um duto circular pelo método ADI ( Alternating Direction Implicit ). As equações de balanço são discretizadas utilizando-se diferenças centrais para as derivadas espaciais e diferenças para frente de primeira ordem para a derivada temporal. A solução da temperatura e velocidade são desacopladas. O programa é aplicável a escoamentos estacionários, bidimensionais e incompressíveis. O programa pode resolver escoamento laminar e turbulento, este último utilizando-se um modelo de tubulência. Utilizando-se distribuições uniformes de velocidade e temperatura como condição inicial para os cálculos, os resultados demostram boa concordância com a literatura clássica

A New Model for the Analysis of Performance in Evacuated Tube Solar Collectors

Solar collectors can provide a useful response to the heat demand in buildings, such as heating of domestic water and spaces. Among the different types of solar collectors, the evacuated tube ones can better display their features when the temperature difference between operating fluid and ambient air is high, which are the typical operating conditions during space heating of buildings. Beside the heating application, there is also need for addressing the increasing energy consumption due to the summer air conditioning. Solar cooling can be an interesting opportunity, because the cooling demand matches the period with the higher solar radiation availability. Also in this application the evacuated collectors are an adequate type, due to the temperature level of the heat required as an input to the absorption machines. Therefore, accurate modeling and simulation of this type of collectors is highly recommended to fully assess the performance of the collectors already available in the market and propose improved designs, for example with higher concentration ratio, to get more benefits particularly at higher levels of temperature. This paper reports a new model for the performance analysis of evacuated tube solar collectors. The analyzed collectors are truncated CPC (compound parabolic collectors). An original software is developed under MATLAB environment for the simulation purposes. A novel numerical procedure is implemented to obtain the solution for the nonlinear set of equations representing the mathematical model. The length of the tube is divided into a specified number of segments. The analysis is performed for each segment along the tube length in order to obtain the variation of the different parameters. The model analyzes separately the optics and the heat transfer in the evacuated tubes and this approach allows to extend the analysis to new configurations. The model can simulate the efficiency curve under steady state conditions, according to the standard EN 12975-2 (EN 12975-2. Thermal solar systems and components - solar collectors - part 2: test methods. Brussels: CEN; 2006), but it is also able to describe the performance during the day with a quasi-dynamic approach. A comparison with experimental data shows the accuracy of the model. The results will provide a comprehensive characterization of the performance of evacuated tube collectors, discussing modeling and experimental data of efficiency and heat production at different levels of temperature. Particular attention will be paid to the applications of heating and cooling of buildings, industrial process heat generation and district heating

Avaliação experimental da vazão mássica em um coletor solar de tubos evacuados

Coletores solares de tubos evacuados são amplamente utilizados por países asiáticos. Apesar de representarem uma grande parcela da potência mundial instalada de conversão térmica da energia solar, ainda não tem a teoria da sua operação totalmente desenvolvida. Com isso, é interessante buscar conhecimento a respeito deste tipo de coletor. Neste trabalho, o objetivo principal é avaliar experimentalmente a quantidade de massa de água trocada entre os tubos e o reservatório. Para isso, foi proposta uma metodologia baseada em um balanço de energia térmica entre o tubo evacuado e o reservatório térmico. Aplicou-se a metodologia em um coletor de 24 tubos e reservatório de 150 ℓ inclinado 37°, o qual foi instalado em uma bancada de testes instrumentada. A vazão mássica medida foi de 0,0086 kg/s. Sob condições semelhantes a da avaliação experimental, foi obtido com um modelo CFD o valor de 0,0080 kg/s.Evacuated tubes solar collectors are widely used by Asian countries. Today they represent an important slice of the global installed thermal solar energy power. This makes it interesting researched target. In this work, the main objective is to evaluate experimentally the water mass flow rate exchanged between the pipes and the tank. For this, it proposed a methodology based on a thermal energy balance between the evacuated tube and the thermal reservoir. The methodology was applied in a 37 °slopped solar collector with 24 tubes and a 150 ℓ thermal reservoir. The collector was installed on an instrumented test bench. The mass flow measurement was found 0.0086 kg/s. Under similar conditions the experimental evaluation, was obtained in a CFD model the value 0.0080 kg/s.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Estudo numérico para obtenção da razão de aspecto ótima de uma aleta no processo de fusão de material de mudança de fase (PCM)

With the increasing use of renewable energy sources, several studies on the use of phase change materials (PCM) have gained worldwide prominence. Many of these focus on their use in cavities. For an internally finned rectangular cavity containing the lauric acid PCM in the melting process, this work aims to verify the influence of the fin aspect ratio, as well as, by geometric optimization, determine the optimum aspect ratio, which will minimize the time of the PCM melting process. For the cases studied, the fin is positioned horizontally in the center of the right wall of the cavity, its dimensions being altered by varying its aspect ratio, for a fraction area of 0.01. Numerical simulations were performed in Fluent software, with the mathematical model based on equations of mass conservation, momentum and energy conservation. In the phase change process the enthalpy-porosity model was used. The mathematical and numerical models were validated based on experimental results obtained from the literature. The computational meshes were evaluated through the GCI method, where it obtained an index of 1.9 % in relation to the mesh used. The results of liquid fraction as a function of time showed that there was a reduction of approximately 19 % in the total time of the PCM fusion process, between the aspect ratios of 0.026 and 0.6, respectively. Thus, for this study, the lowest aspect ratio was obtained as the optimal aspect ratio for the fin.Com a crescente utilização de fontes de energia renováveis, diversos estudos sobre a utilização de materiais de mudança de fase (PCM) ganharam destaque mundial. Muitos destes, concentram-se na sua utilização em cavidades. Para uma cavidade retangular aletada internamente, contendo o PCM ácido láurico em processo de fusão, este trabalho tem por objetivo verificar a influência da razão de aspecto da aleta, bem como, por otimização geométrica, determinar a razão de aspecto ótima, a qual minimizará o tempo do processo de fusão do PCM. Para os casos estudados, a aleta encontra-se posicionada horizontalmente no centro da parede direita da cavidade, sendo suas dimensões alteradas através da variação da sua razão de aspecto, para uma fração de área de 0,01. As simulações numéricas foram realizadas no software Fluent, com o modelo matemático baseado nas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e conservação da energia. No processo de mudança de fase utilizou-se o modelo entalpia-porosidade. Os modelos matemático e numérico foram validados com base em resultados experimentais obtidos da literatura. As malhas computacionais foram avaliadas através do método GCI, onde obteve-se um índice de 1,9 % em relação a malha utilizada. Os resultados obtidos de fração de líquido em função do tempo mostraram que houve uma redução de, aproximadamente, 19 % no tempo total do processo de fusão do PCM, entre as razões de aspecto de 0,026 e 0,6, respectivamente. Dessa forma, para este estudo, obteve-se a menor razão de aspecto como razão de aspecto ótima para a aleta

Analysis and validation of the transient heat transfer model in an evacuated tube solar collector

Este trabalho apresenta uma análise e uma validação do modelo transiente de transferência de calor em coletores solares de tubos evacuados proposto por Li et al. (2010). Para tanto, são apresentadas características de sistemas de aquecimento de líquidos, de funcionamento e de construção dos coletores solares. Com o modelo físico e matemático que representa o sistema em questão, é possível validar a equação de transferência de calor através de simulação numérica utilizando a linguagem de programação Fortran. São apresentados resultados numéricos para dois casos de estudo, com características operacionais e dimensionais de tubos a vácuo diferentes. Também é proposta uma alteração para o coeficiente entre a área de absorção pela área total dos tubos a vácuo, resultando na redução do desvio médio percentual entre as soluções numéricas e experimentais.Palavras-chave: energia solar, tubos evacuados,convecção natural, radiação.This work presents an analysis and a validation of the transient heat transfer model inevacuated tube solar collectors proposed by Li et al. (2010). Characteristics of liquid heating, solar collector systems operation and construction are presented. With the physical and mathematical models that represent the system in question, it is possible to validate the heat transfer equation by numerical simulation using the Fortran programming language. Numerical results are presented for two cases, with operational and dimensional characteristics of different vacuum tubes. It is also presented a change to the coefficient between the absorption area and the total area of the vacuum tubes, which results in a reduction in the average deviation between the numerical and experimental solutions.Keywords: solar energy, evacuated tubes, natural convection, radiation

Análise numérica do escoamento a jusante de uma comporta segmento invertida

The reverse Tainter gates are frequently used in flow control for fi lling and emptying systems of high lift navigation locks. In order to better understand the dynamics of the downstream flow of this gate, a research that seeks to associate the numerical modeling with experimental analysis is being conducted in order to identify the characteristics of the flow and to enable the development of solutions that avoid damage to the structure, since they are subject to several harmful hydraulic phenomena. This paper presents some of the results obtained in the numerical simulations of flow through a reverse Tainter gate. Cases in steady flow condition were studied for different volumetric flow rates and percentages of gate opening. The numerical results of average pressures at the bottom and at the top of the downstream conduit of the gate were compared with the results obtained in the experimental model. The results obtained with the numerical model are in agreement with the experimental results.Key words: navigation locks, reverse Tainter gate, numerical simulation, CFX.As comportas segmento invertida são frequentemente utilizadas no controle de fluxo em sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de alta queda. Objetivando um melhor entendimento da dinâmica do escoamento a jusante desse tipo de comporta, vem sendo realizada uma pesquisa que procura associar a modelagem numérica com a análise experimental de forma a identificar as características do escoamento e possibilitar o desenvolvimento de soluções que evitem danos à estrutura, uma vez que as mesmas estão submetidas a fenômenos hidráulicos nocivos. Neste trabalho, são apresentados alguns resultados obtidos nas simulações numéricas do escoamento através de uma comporta segmento invertida. Foram estudados casos em regime de escoamento permanente para diferentes vazões volumétricas e percentuais de abertura da comporta. Os resultados numéricos de pressões médias na base e no teto do conduto a jusante da comporta são comparados com os resultados obtidos no modelo experimental, apresentando boa concordância entre si.Palavras-chave: eclusas de navegação, comporta segmento invertida, simulação numérica, CFX

Fixed Grid Numerical Models for Solidification and Melting of Phase Change Materials (PCMs)

Phase change materials (PCMs) are classified according to their phase change process, temperature, and composition. The utilization of PCMs lies mainly in the field of solar energy and building applications as well as in industrial processes. The main advantage of such materials is the use of latent heat, which allows the storage of a large amount of thermal energy with small temperature variation, improving the energy eciency of the system. The study of PCMs using computational fluid dynamics (CFD) is widespread and has been documented in several papers, following the tendency that CFD nowadays tends to become increasingly widespread. Numerical studies of solidification and melting processes use a combination of formulations to describe the physical phenomena related to such processes, these being mainly the latent heat and the velocity transition between the liquid and the solid phases. The methods used to describe the latent heat are divided into three main groups: source term methods (E-STM), enthalpy methods (E-EM), and temperature-transforming models (E-TTM). The description of the velocity transition is, in turn, divided into three main groups: switch-o methods (SOM), source term methods (STM), and variable viscosity methods (VVM). Since a full numerical model uses a combination of at least one of the methods for each phenomenon, several combinations are possible. The main objective of the present paper was to review the numerical approaches used to describe solidification and melting processes in fixed grid models. In the first part of the present review, we focus on the PCM classification and applications, as well as analyze the main features of solidification and melting processes in dierent container shapes and boundary conditions. Regarding numerical models adopted in phase-change processes, the review is focused on the fixed grid methods used to describe both latent heat and velocity transition between the phases. Additionally, we discuss the most common simplifications and boundary conditions used when studying solidification and melting processes, as well as the impact of such simplifications on computational cost. Afterwards, we compare the combinations of formulations used in numerical studies of solidification and melting processes, concluding that “enthalpy–porosity” is the most widespread numerical model used in PCM studies. Moreover, several combinations of formulations are barely explored. Regarding the simulation performance, we also show a new basic method that can be employed to evaluate the computing performance in transient numerical simulations

Estudo do desenvolvimento dos perfis térmico e hidrodinâmico em duto circular pelo método ADI

Esta Dissertação apresenta um algoritmo para a detenninação dos perfis de velocidade e temperatura na região de entrada de um duto circular pelo método ADI ( Alternating Direction Implicit ). As equações de balanço são discretizadas utilizando-se diferenças centrais para as derivadas espaciais e diferenças para frente de primeira ordem para a derivada temporal. A solução da temperatura e velocidade são desacopladas. O programa é aplicável a escoamentos estacionários, bidimensionais e incompressíveis. O programa pode resolver escoamento laminar e turbulento, este último utilizando-se um modelo de tubulência. Utilizando-se distribuições uniformes de velocidade e temperatura como condição inicial para os cálculos, os resultados demostram boa concordância com a literatura clássica