Análise experimental e numérica do escoamento em coletores solares de tubo a vácuo sob diferentes inclinações

Esta tese apresenta uma investigação integrada, experimental e numérica, do comportamento térmico e fluidodinâmico da água em coletores solares de tubo a vácuo operando por circulação natural (regime de termossifão). O estudo tem como foco a influência da inclinação do conjunto de tubos sobre a circulação interna do fluido térmico e a estabilidade do escoamento. A metodologia experimental envolveu ensaios em bancada sob condições reais de operação, com monitoramento contínuo de temperatura e vazão mássica para inclinações de 20°, 30° e 45°. Paralelamente, simulações numéricas foram conduzidas por meio de Fluidodinâmica Computacional (CFD), utilizando modelos numéricos validados, para analisar os campos locais de velocidade e temperatura no interior dos tubos. Os resultados indicam que inclinações maiores do que 30° favorecem a intensificação da convecção natural, mas também induzem a instabilidades transitórias no escoamento, caracterizadas por oscilações abruptas na vazão mássica. A análise acoplada confirmou a consistência entre os padrões experimentais e numéricos, revelando os mecanismos internos associados à ruptura da estratificação térmica e à formação de recirculações. A eficiência global diária do sistema foi calculada para cada configuração de inclinação, resultando nos seguintes valores de eficiência: 46,4% para 20°, 69,5% para 30° e 54,4% para 45°. Esses resultados destacam que a inclinação de 30° proporcionou a maior eficiência térmica global, devido a um comportamento mais estável ao longo do ciclo diário. Apesar da inclinação de 45° ter promovido os maiores valores de vazão e aumento de temperatura, o comportamento do sistema não se manteve estável nesse nível elevado ao longo de todo o dia, o que resultou em uma eficiência inferior à da inclinação de 30°. As conclusões do trabalho destacam a relevância do ajuste da inclinação para otimizar o desempenho térmico dos coletores, e demonstram que a combinação de métodos numéricos e experimentais é eficaz para a compreensão dos fenômenos envolvidos.