Modelagem computacional aplicada à melhoria do desempenho térmico de trocador de calor Solo-Ar através do Método Constructal Design

Abstract

O trocador de calor solo-ar é um dispositivo utilizado à melhoria da condição térmica de ambientes construídos. O mesmo contribui à diminuição no consumo de energia elétrica dos equipamentos tradicionais de condicionamento de ar. O princípio de funcionamento consiste em dutos que são enterrados nas camadas superficiais do solo. Essas camadas são expostas permanentemente à radiação solar. Consequentemente, o ar que é forçado a escoar no interior do duto, trocando calor com o solo. Dessa forma, seu princípio operacional é baseado na mecânica dos fluidos e na transferência de calor, áreas nas quais o método Constructal Design tem sido empregado com sucesso na busca de desempenhos superiores para os sistemas de engenharia. Contudo, não existem pesquisas aplicando o método Constructal Design à melhoria do desempenho de trocadores de calor solo-ar. Portanto, o objetivo deste trabalho é, através da modelagem computacional, aplicar o método Constructal Design para diferentes configurações de trocadores de calor solo-ar, visando maximizar o seu potencial térmico. Essa maximização é alcançada quando se encontra a geometria ótima, isto é, aquela que maximiza a transferência de calor entre o solo e o ar. Para tanto, foi utilizado o software GAMBIT para as construções geométricas, bem como para discretização do domínio computacional. Também foi utilizado o software FLUENT, baseado no Método dos Volumes Finitos, onde um modelo computacional, verificado e validado, foi implementado para investigar cinco diferentes configurações geométricas de instalações de trocadores de calor solo-ar. Entre outras conclusões, uma contribuição importante indica que, o aumento na quantidade de dutos, aliado com a diminuição de seus respectivos diâmetros, para uma determinada vazão mássica, conduz a uma melhoria significativa no desempenho térmico do trocador de calor solo-ar. Também foi constatado que a aplicação do método Constructal Design em projetos de instalações de trocador de calor solo-ar implica em um desempenho térmico significativamente maior, quando comparado com instalações constituídas com geometrias não otimizadas.

The earth-air heat exchanger (EAHE) is a device used to improve the thermal condition of built environments. It contributes to the reduction in energy consumption of traditional air conditioning equipment. The operating principle consists of pipelines that are buried in the superficial soil layers. These layers are permanently exposed to solar radiation. Consequently, the air is driven to flow inside the duct which exchanges heat with the earth. Thus, its operating principle is based on fluid mechanics and heat transfer, areas where Constructal Design method has been successfully employed in the search for better performances for systems engineering. However, there are no studies applying the Constructal Design method for improving the performance of exchangers ground-air heat. Therefore, the aim of this work is, through the computational modeling, to apply the Constructal Design method for different configurations of earth-air heat exchangers to maximize their thermal potential. Such maximization is achieved when the optimal geometry is found, that is, the one that maximizes the heat transfer between the soil and air. For this, the software GAMBIT was used to create the geometric discretization and the computational domain. The software FLUENT, based on the Finite Volume Method (FVM), was also employed, where a computational model, verified and validated, was implemented to investigate five different geometrical configurations of earth-air heat exchangers installations. Among other findings, an important contribution indicates that the increase in the quantity of products, coupled with the decrease of their diameters, for a given mass flow leads to a significant improvement in the earth-air heat exchangers performance. It was also noted that the application of Constructal Design method on projects of earth-air heat exchangers installations implies a significantly higher thermal performance when compared to installations made with not optimized geometries.