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Investigação CFD das Fases de Vaporização e Condensação em um Destilador Solar Tubular


 
 

1. Introdução da Simulação CFD para analise de vaporização e condensação em um destilador


O uso de destiladores solares tubulares para a produção de água doce tem recebido considerável atenção devido à sua natureza sustentável e ecologicamente amigável. Compreender os processos intricados de evaporação e condensação dentro desses sistemas é crucial para otimizar seu desempenho. As simulações de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) fornecem uma ferramenta poderosa para investigar os fenômenos de fluxo de fluidos, transferência de calor e transferência de massa em destiladores solares tubulares.
Diagrama esquemático do processo de evaporação e condensação da água de destilação.

Este estudo concentra-se na utilização de simulações CFD, especificamente utilizando o software FLOW-3D, para aprofundar nas complexidades dos processos de evaporação e condensação em um destilador solar tubular. Ao empregar técnicas numéricas avançadas, almejamos obter insights sobre a dinâmica térmica e fluida que regem a conversão de energia e a geração de água doce dentro do sistema. Esta pesquisa não apenas contribui para aprimorar a eficiência dos destiladores solares tubulares, mas também oferece conhecimento valioso para o campo mais amplo de tecnologias de dessalinização e purificação de água impulsionadas por energia solar.


2. Descrição da análise


Com o intuito de esclarecer o mecanismo de evaporação e condensação em um destilador solar tubular, realizou-se uma análise CFD no presente estudo para caracterizar o fluxo de ar vapor dentro da câmara de destilação. As taxas de produção de água doce e os campos de velocidade no destilador foram previstos e comparados com artigos de referência. Os resultados são esperados para contribuir significativamente no projeto e na otimização de destiladores solares.

diagrama esquemático do processo de evaporação e condensação em destilador solar tubular.

O sistema compreende dois tubos dispostos em paralelo, contendo um material absorvente no interior do tubo central para a captação de energia solar. Ao serem permeados pelos raios solares, esses tubos aquecem o material absorvente, resultando na evaporação da água contida. O vapor gerado ascende e percorre os tubos, alcançando uma superfície de condensação, onde resfria e retorna ao estado líquido, originando água doce.
Durante esse processo, a água purificada é coletada e encaminhada para armazenamento ou uso. Simultaneamente, a solução salina ou concentrada remanescente é recirculada no sistema para passar novamente pelo processo de evaporação. Esse mecanismo cíclico utiliza a energia solar para impulsionar o ciclo de evaporação-condensação, resultando na produção final de água doce a partir de fontes hídricas salinas ou impuras.

A figura abaixo mostra um modelo geométrico tridimensional do destilador solar tubular com o domínio do fluido (em azul).
A geometria da análise

3. Condições de contorno


Um modelo transitório foi desenvolvido para simular a convecção natural em um Destilador Solar Tubular (TSS) com base nas seguintes suposições: O fluido é compressível e newtoniano, consistindo em uma mistura de água e vapor. O fluxo do fluido é laminar e bidimensional. Os valores iniciais da água foram especificados como 90°C (373 K) para reduzir a duração da simulação. A temperatura do tubo externo foi especificada como 7°C (280 K) e o coeficiente de transferência de calor como 20 W/m²·K.

Modelos físicos no FLOW-3D

O modelo físico ativo para esta simulação é o seguinte:
  • Mudança de fase: Em ambos os casos de evaporação ou condensação, qualquer concentração escalar associada ao fluido terá sua concentração alterada pela mudança de fase.

  • Avaliação de Densidade: para tornar a densidade uma função de outras quantidades (temperatura).

  • Gravidade

  • Transferência de Calor: Processo de transporte de energia térmica.

  • Tensão Superficial: para analisar a força que atua no plano tangente a qualquer interface afiada entre o vapor e o líquido.

  • Viscosidade: para determinar o tipo de fluido como laminar.


Bloco de malha de análise
A Figura anterior mostra os detalhes da malha no domínio computacional, onde foi escolhida uma malha bidimensional (2D). O tempo de simulação de 360 segundos (equivalente a 6 minutos) foi escolhido após alguns testes preliminares.

4. Resultados e discussão


No vídeo disponibilizado, é notável uma distinta variação na distribuição de temperatura entre as fases do fluido e do vapor. O fluido atinge uma temperatura máxima de 98°C, enquanto o vapor mantém uma temperatura mínima de 80°C (355 K). De maneira significativa, após 90 segundos, gotículas de água começam a condensar nas superfícies do tubo externo.


A próxima figura ilustra a temperatura do fluido e do vapor durante a simulação

Variação da temperatura média do fluido e do vapor em função do tempo.

A distribuição de velocidade dentro do domínio é apresentada neste vídeo.


A variação da densidade dentro do domínio é apresentada neste vídeo.


A figura abaixo representa as variações de massa durante a simulação ao longo de um período de 6 minutos. Nesse cenário, a massa total do fluido é de 4,2 kg. Após esse intervalo, a massa evaporada é medida em 0,0185 kg, enquanto a massa condensada é registrada como 0,016 kg. Portanto, ao final dos 6 minutos, a massa evaporada equivale a aproximadamente 0,44% da massa total do fluido, e a massa condensada corresponde a cerca de 0,38% do total da massa do fluido.

Quantidade de massa de condensação e evaporação durante o tempo de simulação.

A transferência de calor de 320 W entre o tubo interno e a água em um destilador solar tubular se refere à quantidade de energia térmica transferida por unidade de tempo. A transferência de calor é geralmente medida em watts (W), que representam joules por segundo.

Neste contexto, a transferência de calor de 320 W indica que 320 joules de energia térmica são transferidos a cada segundo entre o tubo interno e a água no destilador solar tubular. Essa transferência de calor é um parâmetro chave na avaliação da eficiência do destilador solar em aproveitar a energia solar para evaporar a água e produzir água destilada.

A transferência de calor mais alta geralmente implica uma transferência de calor mais eficaz, o que é essencial para o processo de evaporação. A transferência de calor eficiente é crucial para maximizar a conversão de energia solar em calor utilizável, resultando em uma destilação aprimorada da água no destilador solar.

A transferência de calor de -50 W entre o tubo externo (o mais frio) e o vapor d'água em um destilador solar tubular indica que há uma transferência de calor do vapor para o tubo externo, indicando que o vapor está cedendo calor para o tubo externo. Em outras palavras, o tubo externo, que é o componente mais frio, está absorvendo 50 watts de energia térmica por segundo do vapor d'água. Essa transferência de calor representa o processo de condensação do vapor d'água, caracterizando a troca de calor na qual o tubo externo atua como receptor do calor liberado pelo vapor, contribuindo para o processo de destilação no destilador solar.

Quantidade de transferência de calor para o tubo interno e superior.

 

Referências

1. Yan, T., Xie, G., Liu, H., Wu, Z., & Sun, L. (2020). "CFD investigation of vapor
transportation in a tubular solar still operating under vacuum. International Journal
of Heat and Mass Transfer", 156, 119917.
2. Panchal, H., Petkar, R., Sonawane, C., Sadasivuni, K. K., Mohamad, H. A. E. D., & Boka,
P. (2022). "Use of computational fluid dynamics for solar desalination system: a
review." International Journal of Ambient Energy, 43(1), 5742-5757.
 

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