Estudo da interação térmica e dinãmica entre um escoamento gasoso e uma matriz porosa metálica

Abstract

A energia solar apresenta como fonte o Sol, origem de praticamente toda a energia que sustenta a vida e enorme potencial energético ainda com muito por explorar, principalmente em Portugal. Porém, este tipo de energia apresenta como desvantagens o facto de ser intermitente e apresentar grandes variações regionais. Como tal, torna-se necessário a melhoria dos sistemas tecnológicos principalmente no que diz respeito à eficiência dos mesmos. A presente dissertação apresenta como principal objetivo a caracterização duma matriz porosa metálica, de seu nome palha-de-aço, com o intuito de a utilizar como elemento absorvedor num coletor de placa plana. Para tal, estudou-se a interação térmica e dinâmica entre a referida matriz e um escoamento de ar, variando o caudal deste e o grau de porosidade e a orientação espacial da matriz. Para a obtenção dos valores referidos foi utilizada uma instalação experimental e um modelo teórico matemático. Obtidos os valores experimentais e os dados fornecidos pelo modelo teórico, obtiveram-se valores de coeficiente de transferência de calor entre 10 e 70 W.m-2.˚C-1, para orientação radial da matriz, e de 10 a 90 W.m-2.˚C-1, para a orientação longitudinal. Ainda na mesma instalação experimental foram adquiridos, em diferentes pontos da conduta, valores de pressão do escoamento gasoso. A partir destes valores e da lei de Darcy, foi possível obter valores de permeabilidade para a matriz em questão de 5,0 10-8 a 2,9 10-7 m2, para orientação longitudinal, e 1,0 10-8 a 1,3 10-7 m2 para orientação radial.

Solar energy has still an enormous potential to explore, especially in Portugal. However, this kind of energy has drawbacks such as its intermittency and large regional variations. So, it is necessary to improve the technological systems particularly with regard to efficiency. The main objective of this dissertation is the characterization of a porous metal matrix, known as “steel wool”, to be used as an absorber on a flat-plate collector. Thermal and dynamic interactions between the matrix and a gas flow (air) were studied, for different air flow rates, porosities and spatial orientation of the matrix. An experimental installation and a mathematical theoretical model were used to obtain the values reported. The comparison between experimental and modeled values allowed to obtain heat transfer coefficients from 10 to 70 W.m-2.˚C-1 for a radial orientation of the matrix, and from 10 to 90 W.m-2.˚C-1, for a longitudinal orientation. The same experimental installation was used to determine the pressure drop and the matrix permeability. Using the Darcy's law, it was possible to obtain a range of permeability values from 5 10-8 to 2,9 10-7 m2, for longitudinal orientation, and 1 10-8 to 1,3 10-7 m2, for radial orientation of the matrix.