Comparative Thermal Performance of Double Helical Coil and Finned Tube Heat Exchangers in PCM-Based Solar Water Heating

Resumo Técnico: Desempenho Térmico Comparativo de Trocadores de Calor de Serpentina Dupla Helicoidal e Tubo Alado em Aquecimento Solar de Água Baseado em PCM

Definição do Problema
Os sistemas de aquecimento solar de água enfrentam uma limitação fundamental devido à natureza intermitente da radiação solar, o que restringe a disponibilidade contínua de água quente, particularmente durante a noite ou períodos de baixa irradiação. Embora os Materiais de Mudança de Fase (PCM), como a cera de parafina, ofereçam uma solução por meio do alto calor latente de armazenamento a temperaturas quase constantes, sua aplicação prática é dificultada pela baixa condutividade térmica inerente. Essa limitação resulta em processos prolongados de carga (fusão) e descarga (solidificação). Embora existam várias técnicas de aumento da transferência de calor, há uma falta de comparações diretas e abrangentes entre diferentes configurações de trocadores de calor internos (especificamente serpentinas duplas helicoidais versus tubos alados) sob condições operacionais idênticas, apoiadas tanto por validação experimental quanto por modelagem numérica rigorosa.

Metodologia
O estudo emprega uma abordagem integrada experimental e numérica para avaliar o desempenho térmico sob condições climáticas representativas da região do Golfo (Bahrein).

• Configuração Experimental: Um protótipo em escala laboratorial foi fabricado compreendendo um coletor solar de placa plana (0,60 m²), um tanque de armazenamento de 60 L contendo 20 kg de cera de parafina e um sistema de circulação impulsionado por uma bomba de 24 V CC (0,015 kg/s). Três configurações distintas foram testadas sob condições idênticas:

  1. Um tanque de armazenamento convencional sem PCM.
  2. Um tanque de PCM equipado com uma serpentina de cobre dupla helicoidal (duas bobinas concêntricas, 12 voltas, diâmetro interno 120 mm, externo 250 mm).
  3. Um tubo de alumínio alado (tubo central com 12 aletas radiais, altura de 120 mm).
     Os dados de temperatura foram coletados por meio de seis sensores calibrados monitorando a entrada/saída do coletor, a estratificação do tanque (topo, meio, fundo) e o núcleo do PCM.

• Simulação Numérica: Simulações de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) tridimensionais foram conduzidas utilizando o ANSYS Workbench. O ANSYS Fluent utilizou o método entalpia-porosidade para modelar o fluxo de fluido transiente, a transferência de calor e a mudança de fase do PCM. O ANSYS Thermal foi utilizado para a análise de elementos finitos térmica em regime permanente do coletor. Um estudo de independência de malha confirmou que uma grade de aproximadamente 2,1 milhões de elementos forneceu precisão suficiente.

• Validação: O modelo numérico foi validado em relação aos dados experimentais, com um erro de previsão máximo exigido abaixo de 10%. Métricas estatísticas, incluindo o Erro Absoluto Médio (MAE), o Erro Quadrático Médio (RMSE) e o coeficiente de determinação ($R^2$), foram utilizadas para avaliar a confiabilidade do modelo.

Resultados Principais
O estudo gerou as seguintes descobertas comparativas:

• Desempenho Térmico: A configuração da serpentina de cobre dupla helicoidal demonstrou o desempenho térmico superior entre todos os casos testados. Ela alcançou uma temperatura máxima de saída de água de 71,2 °C, estendeu a duração da disponibilidade de água quente (acima de 45 °C) para 6,8 horas e aumentou o tempo de retenção térmica (acima de 40 °C) para 8,1 horas.
• Desempenho do Tubo Alado: O tubo de alumínio alado também superou significativamente o tanque convencional, atingindo uma temperatura máxima de saída de 66,3 °C e estendendo a retenção térmica para 7,2 horas. No entanto, seu desempenho foi ligeiramente inferior ao da serpentina dupla helicoidal, atribuído ao fato de a transferência de calor estar concentrada principalmente ao redor das aletas radiais, em vez de distribuída uniformemente.
• Distribuição de Temperatura e Mudança de Fase: Os resultados de CFD indicaram que a serpentina dupla helicoidal produziu uma distribuição de temperatura mais uniforme e um fluxo de calor mais elevado em todo o volume do PCM. A geometria em espiral facilitou a fusão simultânea em todo o volume de armazenamento. Em contraste, o tubo alado exibiu regiões de alta temperatura localizadas, com a propagação de calor entre as aletas dependendo mais fortemente da condução através do PCM.
• Precisão do Modelo: O modelo numérico mostrou excelente concordância com as medições experimentais. O Erro Médio Absolto Percentual (MAPE) foi de 2,96% para a serpentina dupla helicoidal e de 3,41% para o tubo alado, com valores de $R^2$ superiores a 0,98 para ambas as configurações de aumento, confirmando a validade do modelo.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo fornece uma avaliação abrangente de duas técnicas práticas de aumento da transferência de calor para o armazenamento de energia térmica de cera de parafina. Ao integrar experimentos laboratoriais, simulações de CFD transientes, análise térmica em regime permanente e verificação de independência de malha dentro de um quadro unificado, a pesquisa aborda a lacuna de limitações de comparações diretas na literatura existente.

A principal significância do trabalho reside em demonstrar que o aumento da área interna de transferência de calor é uma estratégia eficaz para superar a baixa condutividade térmica da cera de parafina. O estudo conclui que a serpentina de cobre dupla helicoidal oferece a solução mais eficaz para aumentar o desempenho do armazenamento de calor latente, fornecendo um arcabouço confiável para o projeto de sistemas de aquecimento solar de água eficientes, especificamente otimizados para as condições climáticas do Golfo. O modelo numérico validado é apresentado como uma ferramenta robusta para o design e otimização futura de sistemas baseados em PCM.