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Título: Aplicação do método das diferenças finitas implícito para obtenção da distribuição de temperaturas na seção transversal do tubo receptor de um coletor solar cilíndrico parabólico
Título(s) alternativo(s): Implicit finite difference method application to determine the temperature distribution in the cross section of the receiver tube of a parabolic trough solar collector
Autor(es): Schelbauer, Carlos Henrique
Orientador(es): Dalmas, Sergio
Palavras-chave: Meios de transferência de calor
Diferenças finitas
Coletores solares
Hea-transfer media
Finite differences
Solar collectors
Data do documento: 25-Jun-2019
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Guarapuava
Referência: SCHELBAUER, Carlos Henrique. Aplicação do método das diferenças finitas implícito para obtenção da distribuição de temperaturas na seção transversal do tubo receptor de um coletor solar cilíndrico parabólico. 2019. 56 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Guarapuava, 2019.
Resumo: Este trabalho consiste da aplicação do método das diferenças finitas (MDF) implícito, transiente e bidimensional para a equação do calor em coordenadas cilíndricas no tubo receptor de um coletor solar cilíndrico parabólico (CSCP). O objetivo principal é a determinação do perfil de temperaturas na seção transversal do tubo depois de atingido o regime permanente. As condições de contorno e as propriedades dos materiais são consideradas constantes. A condição de contorno de fluxo de radiação solar ao redor do tubo receptor é determinada pela aplicação de um método numérico bidimensional, baseado no Monte Carlo Ray Tracing Method (MCRT), que considera a geometria do CSCP e o diâmetro do receptor. Ambos os métodos foram aplicados com a criação de algoritmos implementados em linguagem de programação Python. Também é realizado o estudo do refinamento da malha e do passo de tempo. A validação da aplicação do MDF é realizada através de comparações com métodos analíticos simplificados de transferência de calor encontrados na literatura. O fluxo de radiação obtido é validado por comparações com outras referências. É obtida a distribuição de temperaturas no interior da seção transversal do tubo para três diferentes tipos de materiais, sujeitos às mesmas condições de contorno e condição inicial, além do comportamento da distribuição de temperaturas na fronteira interior e exterior do tubo. Observa-se que a condutividade térmica do material influencia fortemente o comportamento do perfil de temperaturas do tubo no regime permanente.
Abstract: This paper consists of the application of the implicit, transient and two-dimensional finite difference method (FDM) for the heat equation in cylindrical coordinates in the receiver tube of a parabolic trough collector (PTC). The main objective is to find the steady state temperature distribution in the cross sectional area of the receiver. The boundary conditions and properties of materials are considered constant. The solar heat flux boundary condition around the receiver is determined by a two-dimensional numerical method based on the Monte Carlo Ray Tracing Method (MCRT) that takes into consideration the geometry of the PTC and the diameter of the receiver. Both methods are applied writing algorithms implemented in Python programming language. Mesh refinement and the time step size are studied. The validation of the FDM algorithm is carried out with comparisons to simplified analytical methods of heat transfer. The heat flux obtained is validated by comparisons with other references. The temperature distribution is obtained for three different types of materials, subject to the same boundary and initial conditions. The temperature distributions on the inner and outer surfaces of the receiver are also shown. It is observed that the thermal conductivity of the material strongly influences the behavior of the temperature distribution of the tube in the steady state.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/11552
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