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Nanotecnologia no controle da Poluição do Solo

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Universidade Federal da Fronteira Sul - Campus Cerro Largo
Engenharia Ambiental e Sanitária
Modelagem matemática aplicada a Engenharia Ambiental
Aplicação do CFD:
MODELAGEM CFD DE UM COLETOR SOLAR DE POLÍMERO
Thaís Prates
APLICAÇÃO DO CFD
CFD modeling of a polymer solar collector
(Modelagem CFD de um coletor solar de polímero)
Autores:
Martinopoulos, G; Missirlis, D; Tsilingiridis, G; Yakinthos,K; Kyriakis, N.
Publicado em: 
Renewable Energy, 2010
Volume 35, páginas 1499–1508.
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CHEMOSPHERE é classificada como A1 na área das Engenharias I
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Introdução
À medida que o mercado de petróleo se torna instável e imprevisível, o uso de fontes de energia renováveis, como a energia solar se apresenta como uma solução interessante;
A energia solar na forma de sistemas solares térmicos domésticos foi responsável por 127,8 GW em todo o mundo, com mais de 15 GW apenas na UE, em 2006 (IEA, 2008; ESTIF, 2008);
O aumento no uso de sistemas de energia solar está sujeito à sua viabilidade econômica;
A fim de minimizar o custo de produção de energia solar atual, coletores novos, materiais de menor custo e menos prejudiciais ao meio ambiente devem substituir os que são empregados hoje, sem qualquer perda de eficiência do coletor;
Neste trabalho, um coletor solar de polímero foi apresentado;
A dinâmica de fluidos computacional foi usada para investigar seu comportamento e desempenho através do CFD;
Para a validação do modelo de CFD, as distribuições de temperatura e velocidade em sua área foram comparadas com os dados experimentais.
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
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Modelo Experimental
O sistema solar mais utilizado é aquele que produz água quente para uso doméstico;
A unidade básica deste sistema é o coletor solar;
Entre as configurações de coletor solar utilizadas, a mais comum é a placa plana;
Coletores de placas planas tem seu desempenho dependente de vários parâmetros de projeto como: o tipo e a espessura do vidro, o revestimento do vidro de cobertura, o tipo de revestimento na placa coletora, o espaçamento entre o colector e o vidro interior, o tipo e a espessura do isolamento utilizado, o número de tubos e o material deste tubo.
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
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Modelo Experimental
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Modelo Experimental
Parâmetros de operação que afetam o desempenho de um sistema solar são: a taxa de fluxo de massa do fluido, a quantidade incidente de radiação solar, a temperatura de entrada, ambiente e céu;
Diversos pesquisadores adotaram o uso de polímeros no projeto de coletores solares, já que seu custo e propriedades físicas tornam possível a produção coletores mais leves, de baixo custo e resistência à corrosão;
O uso de vidros poliméricos tem sido bem sucedido, pois oferecem um potencial significativo para economia de custos, tanto como substitutos diretos para placas de cobertura de vidro em sistemas tradicionais quanto como parte integrante de sistemas totalmente poliméricos;
Os permutadores de calor de polímero oferecem as vantagens do custo reduzido de materiais e fabricação, resistência à corrosão e melhor integração com outros componentes;
Além disso, o uso de materiais poliméricos reduz o peso do coletor em 50% em comparação com um coletor de metal tradicional, permitindo uma instalação muito mais fácil. 
O uso deste material em coletores está principalmente em coletores de piscinas e no envidraçamento de coletores planos comuns;
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
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Modelo Experimental
Neste trabalho foi desenvolvido um novo coletor de polímeros;
Com o objetivo de produzir um coletor solar que combine características técnicas semelhantes ou melhores em relação a coletores planos típicos;
O coletor de polímero possui todos os componentes usuais de um coletor solar típico;
A principal diferença entre eles é que em vez de um absorvedor de metal, um fluido preto atua como absorvedor e transportador de calor;
O fluido flui em uma construção na forma de favo de mel de polímero transparente;
Combinando baixo custo, baixo peso e simplicidade de fabricação.
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Modelo Experimental
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
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Modelo Experimental
O material deve ser capaz de suportar a pressão do líquido e grandes variações de temperatura (267-383 K) ao longo do tempo;
Como o termofluido atua como trocador de calor, é importante que o polímero tenha:
Índice de refração semelhante ou melhor que o de vidro;
Baixa emissividade;
Boa durabilidade ao intemperismo da radiação ultravioleta para maximizar a absorção de energia solar;
Baixa condutividade térmica para minimizar as perdas de calor para o meio ambiente;
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
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Modelo Experimental
Para cobrir estes requisitos os canais hidráulicos foram feitos de uma única folha de LEXAN transparente de 10 mm de espessura, estabilizada aos raios UV em forma de favo de mel;
Os canais coletores superior e inferior foram feitos de acrílico semitransparente;
Uma solução 1000/1 de tinta preta indiana em água foi usada como fluido de transferência de calor;
O envidraçamento foi feito com uma folha LEXAN, transparente, estabilizada contra raios UV de 3 mm de espessura;
O isolamento posterior com uma folha de LEXAN recoberta com nanogel de 10 mm de espessura.
Os lados do coletor foram isolados com poliuretano extrudido (isopor) de 30 mm de espessura;
Todos estes itens foram embalados em um invólucro de alumínio;
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
O poliestireno extrudido é um material semelhante ao plástico, muito leve, usado como isolante térmico. Sua aparência é a de uma espuma rígida. Apresenta-se em várias cores, sendo a cor mais utilizada é o azul. Comercialmente é conhecido por "roofmate", quando é vendido em placas. Muito usado na industria da construção civil, pelas suas propriedades isolantes, ao nivel do som e temperatura.
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Modelo Experimental
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
vedação
encabeçamento acrílico
invólucro
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Modelo Experimental
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
vedação
encabeçamento acrílico
invólucro
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Modelo Experimental
O desempenho do coletor de polímero foi medido em um leito de teste conforme ISO 9806-1;
Um circulador de imersão de aquecimento foi usado para a regulação da temperatura da solução de transferência de calor, para manter a temperatura na entrada do coletor dentro de uma faixa de 0,1 K do desejado valor;
O fluxo foi medido com um medidor de fluxo rototron e a radiação solar foi medida com um piranômetro de precisão;
Os sinais de todos os sensores foram coletados por um registrador de dados de 24 bits e foram armazenados em um computador para processamento posterior;
A temperatura de entrada da solução de transporte de calor foi ajustada antes de cada medição, a partir de 293 K (temperatura ambiente);
Para garantir a operação em estado estacionário, o sistema estava em funcionamento pelo menos por 10 minutos antes de cada medição;
Durante a medição, a radiação solar era superior a 800 W m2, o campo óptico do coletor não estava sombreado em mais de 5% e a velocidade do vento estava na faixa de 2 a 4 metros.
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
A ISSO Estabelece métodos para determinar o desempenho térmico de coletores solares de aquecimento de líquidos vidrados; fornece métodos de teste e procedimentos de cálculo para determinar o desempenho térmico de estado estacionário e quase-estacionário de coletores solares. Contém métodos para a realização de testes ao ar livre sob irradiação solar natural e em ambientes fechados sob irradiação solar simulada. Não aplicável aos coletores em que a unidade de armazenamento térmico é parte integrante do coletor, de tal forma que o processo de coleta não pode ser separado com a finalidade de fazer medições desses dois processos. Também não aplicável a coletores solares não vitrificados, nem é aplicável ao rastreamento de coletores solares concentrados
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Modelo Experimental
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(MARTINOPOULOS,G, et al,
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anemômetro
termômetro de ar circundante
regulador de temperatura secundária
fluxômetro
termômetro
coletor solar
Piranômetro de precisão (medir radiação)
refrigerador para controle de temperatura primária
tanque principal constante
aquecedor para controle de temperatura primária
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Modelo Experimental
	De cada conjunto de medições (ou seja, para cada temperatura de entrada), a eficiência média foi produzida com base na equação:
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(MARTINOPOULOS,G, et al, 2010)
Onde: 
Qu: a energia útil
Ac: a área do coletor [m2]
IT: radiação solar no plano coletor [W/m2]
m: vazão mássica [kg/s]
Cp: capacidade térmica específica [kJ/kgK]
( A taxa de fluxo do coletor durante as medições foi de 1,27 dm3)
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Modelagem CFD, cálculos e validação
A fim de investigar o desempenho de coletores solares, técnicas de dinâmica computacional de fluidos (CFD) foram usadas para obter uma visão interna detalhada do desenvolvimento do campo de fluxo e da distribuição de temperatura no coletor;
Neste trabalho, para a modelagem CFD, foi criada uma grade computacional de aproximadamente 1,2 milhão de células computacionais e 13 blocos computacionais para descrever com precisão a geometria do coletor juntamente com os tubos de entrada e saída, conforme apresentado na figura ao lado;
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tubo de saída
tubo de entrada
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Modelagem CFD, cálculos e validação
Durante a criação da grade computacional, atenção especial foi dada aos tubos de entrada e saída e às regiões próximas às paredes sólidas;
Pois nestas regiões são esperadas maiores variações de fluxo;
De modo a garantir uma convergência e para capturar adequadamente todos os fenômenos de fluxo do fluido, como mostrado ao lado.
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A- região principal do coletor
B - tubulação da região de entrada
C- tubo de região de saída
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Modelagem CFD, cálculos e validação
Para a modelagem adequada das regiões de tubulação de entrada e saída, 10 diferentes blocos computacionais foram usados ​​para criar uma grade de ortogonalidade aumentada no sólido superfícies;
A região do tubo de saída foi prolongada em uma distância de 15 diâmetros, a fim de melhorar o comportamento de convergência dos cálculos CFD, pois houve surgimento de um refluxo no região de saída, quando um tubo de saída curto foi usado;
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Modelagem CFD, cálculos e validação
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( Formula de Hagen-Poiseuille) 
No software a região do canal coletor foi modelada como uma região de meio poroso com uma lei de queda de pressão predefinida descrita a partir da fórmula de Hagen-Poiseuille com oeficientes de queda de pressão extremamente alto ara ajudar o fluxo a se alinhar com os canais de fluido e assim simular seu efeito na geometria real quando o fluxo na direção y somente é permitido devido à presença das paredes laterais do canal de fluido.
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Modelagem CFD, cálculos e validação
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O termo S foi adicionado na equação de momento, e na direção do fluxo dentro dos canais de fluido em colméia, correspondendo à direção y.
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Modelagem CFD, cálculos e validação
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
WANG, C. B; ZHANG, W. Synthesizing Nanoscale Iron Particles for Rapid and Complete Dechlorination of TCE and PCBs. Department of Civil and Environmental Engineering, Lehigh University, 1997.
 CALDARA, J. Síntese de nanopartículas de ferro zero para degradação de compostos orgânicos por Processos Oxidativos Avançados. Universidade do Rio de Janeiro, 2015. Disponivel em: . Acesso em: 11 de maio de 2018.
NANOREM. Nanoremediation: Information for Decision Makers from NanoRem. Nanotechnology for contaminated lan remediation, 2008. Disponível em: http://www.nanorem.eu/toolbox/displayfaq.aspx?id=7. Acesso em 20 Maio de 2018.
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