Análise numérica de um reservatório térmico de duplo tanque para aplicações em energia solar

Abstract

A utilização de sistemas de aquecimento solar doméstico vem ganhando cada vez mais espaço no mercado brasileiro. Segundo o Departamento Nacional de Aquecimento Solar a produção nacional de coletores para sistemas de aquecimento solar cresceu 19,8% em 2013, somando mais de 1,38 milhões de metros quadrados instalados. Neste contexto, esse trabalho visa analisar uma nova concepção de reservatórios térmicos para aquecimento solar doméstico, o reservatório de duplo tanque. Essa nova concepção de reservatório térmico consiste na inserção de um reservatório de volume menor dentro de um maior, ambos cilíndricos e horizontais, visando reduzir as perdas térmicas. O reservatório interno é utilizado como back up, contando com aquecimento auxiliar. Primeiramente, são adotados alguns parâmetros de sistema, como volume do reservatório interno, volume do reservatório externo e temperatura de consumo, tomando como base trabalhos anteriores realizados. Definidos esses parâmetros, realiza-se a análise do reservatório através de simulação numérica computacional de transferência de calor e do comportamento dinâmico do fluido. O software utilizado para a simulação será o Ansys Fluent, já extensivamente validado. Uma análise de malha é conduzida, comprovando a consistência e estabilidade do modelo. Posteriormente, a validação do modelo CFD é realizada, adotando um reservatório similar, porém mantendo as mesmas características do modelo proposto. Tendo otimizado a malha atendendo certa tolerância e tempo computacional, são realizadas simulações para diferentes posições do tanque interno, com condições de contorno com base na análise conduzida pelo estudo. Finalmente, os resultados obtidos são analisados, com foco na influência do posicionamento do tanque interno, estratificação e mistura do fluido.<br>

Abstract : The use of domestic solar heating systems is gaining more attention in the Brazilian market. According to the National Solar Heating Department, domestic production of solar collectors for solar heating systems grew 19.8% in 2013, totalizing over 1.38 million installed square meters. In this context, this study aims to analyze a new design of thermal reservoirs for domestic solar heating, the double tank reservoir. This new thermal reservoir design consists of inserting a smaller volume reservoir within a larger one, both being cylindrical and horizontal, aiming at a reduction of thermal losses and better stratification. The inner tank is used as a back up, containing an auxiliary heating. Firstly, some system settings are adopted, such as volume of the internal tank, the volume of the external tank and the consumption temperature, based on previous works. As these parameters are defined, the reservoir computational analysis of heat transfer and fluid dynamic behavior is carried out. The software used for the simulation is the Ansys Fluent, extensively validated. A mesh analysis is conducted, proving model?s consistency and stability. Subsequently, the validation of the CFD model is performed by adopting a similar reservoir while maintaining the same characteristics of the model. Having optimized the model, given certain tolerance and computational time, simulations are performed for different positions of the inner tank, considering boundary conditions based on the analysis conducted by the study. Finally, the results are analyzed, first revealing the influence of the inner tank position in the stratification of the fluid. Thereafter, analysis of the fluid mixing, stratification and heat exchange between the tanks are conducted.