Estudo de um coletor solar de tubo a vácuo com baixas inclinações através de CFD e proposta de correlações de transferência de calor

O aquecimento global é impulsionado pelo consumo de combustíveis fósseis para geração de energia, onde somente 7% da energia vem de fontes renováveis (IEA, 2020a). No Brasil parte da energia gerada é usada para aquecimento de água e das 43,1% das residências que aquecem água somente 0,96% utilizam energia solar para esta finalidade (ELETROBRAS, 2020). Um tubo evacuado consiste em dois tubos concêntricos fechados entre si, onde é aplicado um vácuo. Já a parede externa do tubo interno recebe uma camada de um material que absorve a radiação solar. Foi utilizado o software comercial ANSYS Fluent para realização deste estudo numérico, sendo adotado um modelo tridimensional regido pelas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia. Foi empregado uma malha hexaédrica com refinamento em regiões dos maiores gradientes fluidodinâmicos e térmico. O modelo gerado foi validado pelo método Grid Convergence Index e com resultados da literatura. Foi realizado o estudo de casos considerando a variação do ângulo de inclinação, temperatura de entrada do fluido e do fluxo de calor. Foram avaliados a vazão mássica, onde na inclinação do tubo de θ = 5° o valor máximo se encontra a uma distância L = 0,17 m da extremidade aberta, a variação da temperatura ao longo do tubo, sendo o valor máximo de encontrado de 3,172 K, os perfis de coeficiente de transferência de calor por convecção natural, h, em relação à temperatura de entrada e à variação de temperatura, onde se observou que o ângulo de inclinação pode reduzir em média 13,3% o h, e o número de Nusselt. Foram propostas uma correlação para o número de Nusselt, com coeficiente de determinação de R² = 0,996, e para a variação de temperatura na extremidade aberta do coletor de tubo evacuado, com um coeficiente de determinação de R² = 0,946.