Termossifão bifásico em circuito para aquecimento solar residencial

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo projetar, construir, testar e analisar o desempenho térmico de um protótipo de termossifão bifásico em circuito a ser utilizado como sistema passivo de aquecimento solar residencial, utilizando R141b como fluido de trabalho. A motivação é reduzir os gastos com aquecimento residencial principalmente em países de clima frio. O aparato experimental consiste em um protótipo de termossifão bifásico em circuito, devidamente instrumentado com termopares, um sistema de aquisição de dados e uma fonte elétrica conectada a uma resistência elétrica responsável por prover calor ao evaporador. O desempenho térmico do protótipo é avaliado experimentalmente através da análise dos perfis de temperatura e resistências térmicas do aparato experimental. Parâmetros como rugosidade interna, razão de enchimento e método de evacuação são analisados principalmente sob o ponto de vista do início de operação, ou start-up, do sistema. São analisadas ainda três correlações para a determinação da resistência térmica de ebulição e duas para a resistência térmica de condensação, todas disponíveis na literatura. Das correlações estudadas a que melhor descreve a resistência térmica de ebulição, quantitativamente e qualitativamente, é a apresentada por Kiyomura. Já as correlações de condensação analisadas não apresentam bons resultados quantitativos, principalmente para baixas taxas de transferência de calor. De uma maneira geral, a resistência térmica total do protótipo apresentou boa concordância com as correlações da literatura para níveis mais elevados de taxa de transferência de calor. Outro aspecto importante do desempenho térmico deste tipo de dispositivo é a necessidade de uma temperatura mínima para entrar em operação. Após entrar em operação, ele continua funcionando mesmo em temperaturas inferiores a mínima. Os resultados mostraram ainda que a eliminação de gases não-condensáveis através de um procedimento de purga é equivalente ao procedimento com bombas de vácuo.

Abstract : The present work aims to design, build test and analyze the thermal performance of a two-phase loop thermosyphon prototype for passive solar heating of buildings using R141b as working fluid. The motivation is to reduce the energy demand in buildings heating, especially in countries with cold weather. The experimental apparatus consists of a two-phase loop thermosyphon prototype, properly instrumented with thermocouples, a data acquisition system and an electric power source connected to an electrical heater wrapped around the evaporator. The thermal performance of the thermosyphon is assessed experimentally through the analysis of the temperature profiles and the thermal resistance of the prototype. Parameters such as evaporator internal roughness, filling ratio and evacuation method are analyzed from a system startup point of view. Three literature correlations are analyzed for determination of the boiling thermal resistance and two correlations for the condensation thermal resistance e. From the boiling correlations analyzed, the one that best represents, quantitatively and qualitatively, is presented by Kiyomura. For the present study, the condensation correlations do not present good results, especially for low heat transfer rates. In general, the prototype total resistance is in good agreement with the literature correlations for larger heat transfer rates. Another important aspect of the thermal performance of this kind of device is the minimum evaporator temperature for start-up. After start-up, it continues operating even for temperatures levels lower than start-up. The results also show that the elimination of non-condensable gases through purge is equivalent to the traditional vacuum pump procedure.