Autor: Rodrigo Spotorno Vieira (Currículo Lattes)
Resumo
Neste trabalho é realizado um estudo numérico sobre o princípio de funcionamento de uma Usina de chaminé solar (UDCS) e a influência de alguns parâmetros geométricos na potência da UDCS empregando o método Design Construtal. Os principais objetivos aqui são avaliar a aplicabilidade do modelo numérico estudado e avaliação geométrica do efeito dos graus de liberdade H1/H (onde H1 e H são as alturas da saída e entrada do coletor), R/H (onde R é o raio do coletor) e R1/H2 (onde R1 é o raio de saída da chaminé e H2 a altura da chaminé) sobre a potência do dispositivo. Para isso é considerado um escoamento incompressível, turbulento, permanente com transferência de calor por convecção mista em um domínio bidimensional, axissimétrico, similar ao encontrado em uma chaminé solar. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e a equação de estado dos gases ideais são resolvidas numericamente com o uso do método de volumes finitos. Para a abordagem da turbulência é empregada à modelagem clássica da turbulência (RANS) com modelo padrão k - . Os demais parâmetros geométricos, como os raios da entrada e saída da secção onde a turbina está localizada (R2 e R3, respectivamente) foram mantidas constantes. Os resultados de verificação mostraram uma boa concordância com os apresentados na literatura, mesmo empregando um domínio simplificado. Também foi observado que o grau de liberdade R/H apresentou grande influência na potência. Por exemplo, para R/H = 10 e R/H = 1000 (para o mesmo R1/H2 = 0.04 e H1/H = 10) a diferença obtida entre a potência superou 520.0 %. A razão R1/H2 também apresentou grande sensibilidade sobre a potência. O método Design Construtal conduziu a obtenção de resultados com uma diferença na potência de aproximadamente 47 vezes entre a melhor (R1/H2=0.04 e R/H=1000) e pior geometria (R1/H2=0.4 e R/H=10). Também foi observado que a potência depende de R/H e R1/H2 para que o sistema tenha capacidade de produzir a diferença de potencial térmico na região do coletor e força motriz suficiente para movimentar a massa de fluido quente dessa região em direção a saída da chaminé. Além disso, as geometrias ótimas foram obtidas para razões R1/H2 intermediárias e para as maiores razões de R/H. Contudo, os extremos inferior e superior de R1/H2 conduzem a razões ótimas de (R/H)o também pequenas, mostrando a influência de cada razão geométrica.