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Tipo: Dissertação
Título: Balanço de energia e avaliação heurística de parâmetros de absorção de um sistema solar fototérmico baseado no nanofluido dióxido de titânio-água deionizada
Título em inglês: Energy balance and heuristic evaluation of absorption parameters of a photothermal solar system based on nanofluido titanium dioxide-deionized water
Autor(es): Santos, Rogério Feliciano de Moura
Orientador: Rocha, Paulo Alexandre Costa
Palavras-chave: Engenharia mecânica;Balanço energético (Geofísica);Nanopartículas;Search harmonic;Nanoparticles;Energy balance;Optical properties
Data do documento: 2019
Citação: SANTOS, R. F. de M. Balanço de energia e avaliação heurística de parâmetros de absorção de um sistema solar fototérmico baseado no nanofluido dióxido de titânio-água deionizada. 2019. 81 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Resumo: A absorção solar direta baseada em nanopartículas é uma tecnologia que tem se mostrado promissora para sistemas que utilizam a energia como calor útil. Este trabalho investigou experimentalmente o comportamento dos perfis de temperatura de quatro concentrações (12,5 ppm; 25 ppm; 50 ppm; 75 ppm) de nanopartículas de dióxido de titânio dispersas em água deionizada em um sistema de absorção direta da luz solar. O balanço de energia do sistema foi desenvolvido para analisar os processos de transferência de calor envolvidos. Além disso, o método computacional meta-heurístico da Busca Harmônica foi utilizado para encontrar as propriedades ópticas de absortividade do fluido e albedo do solo. O sistema de testes é composto por perfis de alumínio e contém duas células de testes de vidro. Os experimentos foram realizados durante o período compreendido entre outubro e dezembro de 2018, das 06:00 às 18:00 horas. Em cada célula foram inseridos três termopares responsáveis pela medição da temperatura. Além disso, outro termopar foi colocado na parte de fora da estrutura para a medição dos dados da temperatura ambiente. Os dados da radiação solar e velocidade do vento foram monitorados por piranômetros e anemômetro. As nanopartículas foram dispersas através de agitação ultrassônica. Para a análise do experimento, foram selecionados dados de duas condições de céu distintas: céu claro e céu nublado. Nos dias de céu claro foram observados dois picos e um vale nos perfis de temperatura, tendo a concentração de 50 ppm alcançado o maior valor de temperatura de 47,2 ºC, com um aumento na temperatura de 6,2% em relação à da célula contendo apenas agua na primeira hora observada. A convecção entre o ar e a superfície do vidro, direcionada pela velocidade do vento, foi o processo que governou a perda térmica, segundo o balanço de energia. Um coeficiente de correlação de Pearson de 0,73 foi obtido entre os valores medidos experimentalmente e os simulados pelo método meta-heurístico da Busca Harmônica para a variação de entalpia do sistema. Além disso, a Busca Harmônica encontrou comportamento semelhante, tanto para a manhã como para a tarde, no perfil da absortividade relacionada à parcela de radiação direta, em condições de alta radiação incidente, baixa perda térmica e ângulo de inclinação solar na faixa entre 45º e 75º. As demais absortividades e o albedo do solo mostraram variações comportamentais devido às prováveis mudanças momentâneas na condição de céu e na topografia do local, respectivamente.
Abstract: Direct solar absorption based on nanoparticles is a technology that has shown promise for systems that use energy as useful heat. This work investigated the behavior of temperature profiles of four concentrations (12.5 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 75 ppm) of titanium dioxide nanoparticles dispersed in deionized water in a direct sunlight absorption system. The energy balance of the system was developed to analyze the heat transfer processes involved. In addition, the computational meta-heuristic method of Harmonic Search was used to find the optical properties of the fluid absorptance and soil albedo. Test system consists of aluminum profiles and contains two glass test cells. The experiments were carried out during the period between October and December of 2018, from 06:00 to 18:00 hours. In each cell were inserted three thermocouples for to measure the temperature. Furthermore, another thermocouple was placed on the outside of the structure for measuring ambient temperature data. Data from solar radiation and wind speed were monitored by pyranometers and anemometer. The nanoparticles were dispersed by ultrasonic stirring. Data were selected from two different sky conditions for analysis: clear sky and cloudy sky. On days of clear sky two peaks and one valley were observed in the temperature profiles, the concentration of 50 ppm reached the highest temperature value of 47.2 ºC, with a temperature increase of 6.2% over that of the cell containing only water at the first observed hour. The convection between the air and the surface of the glass, directed by the wind speed, was the process that governed the thermal loss, according to the energy balance. A Pearson correlation coefficient of 0.73 was obtained between the values measured experimentally and those simulated by the Harmonic Search metaheuristic method for the system enthalpy change. In addition, Harmonic Search found similar behavior, both in the morning and in the afternoon, in the absorptance profile related to the direct radiation plot, under conditions of high incident radiation, low thermal loss and angle of solar inclination in the range between 45º and 75º. The other absorptances and soil albedo showed behavioral changes due to the probable momentary changes in the sky condition and the local topography, respectively.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/43062
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