Enunciado

11. Um coletor solar concentrador é constituído por um refletor parabólico e um tubo coletor de diâmetro D, através do qual escoa um fluido de trabalho que é aquecido pela irradiação solar concentrada. Ao longo do dia, o refletor é reposicionado lentamente para seguir o sol. Para condições de vento caracterizadas por um escoamento horizontal normal ao eixo do tubo, o coeficiente de transferência de calor local na superfície do tubo varia, como

mostrado no esquema, para várias posições do refletor.

(a) Estime o valor do coeficiente de transferência de calor médio sobre toda a superfície do tubo coletor para cada um dos três casos.

(b) Supondo que o tubo recebe a mesma quantidade de energia solar em cada um dos três casos, em qual caso o coletor teria a maior eficiência?

Passo 1

Letra (a)

Suponha que a irradiação solar seja independente da orientação do refletor.

Determine a relação entre o coeficiente de convecção médio e o coeficiente de convecção local, conforme mostrado.

h - = 1 A s ∫ h d A s

Resolva a integral :

h - = 1 π D L ∫ 0 2 π h θ D 2 L d θ

= 1 2 π ∫ 0 2 π h θ d θ

= h

Portanto, o coeficiente médio de transferência de calor pode ser estimado como o valor médio do coeficiente local de transferência de calor.

Portanto, no caso 1, o coeficiente médio de convecção é h - ≈ 20 W m 2 . K  , no caso 2, o coeficiente médio de convecção é  h - ≈ 1 0 W m 2 . K , no caso 3, o coeficiente médio de convecção é  h - ≈ 3 0 W m 2 . K .

Passo 2

Letra (b)

O tubo coletor será mais quente que o ar ambiente. No caso 2, o refletor parabólico protege parcialmente o tubo coletor do vento, resultando em coeficientes de transferência de calor reduzidos. O fluxo adjacente ao tubo também sofre uma mudança de direção no caso 2, com um grande padrão de recirculação estabelecido atrás do refletor.

As perdas convectivas do tubo coletor diminuirão a eficiência geral do coletor. Portanto, o Caso 2 terá a maior eficiência do coletor.

Resposta

  1. h - ≈ 20 W m 2 . K h - ≈ 1 0 W m 2 . K h - ≈ 3 0 W m 2 . K
  2. Explicação em texto
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