Avaliação da influência geométrica na potência disponível de uma chaminé solar empregando design construtal

Abstract

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 – ε. 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.In the presented work, it is made a numerical study about the main operational principle of a Solar Chimney Power Plant (SCPP) and the influence of some geometric parameters on the available power of SCPP employing the constructal design method. The main objectives are to test the applicability of the studied numerical model in future studies of SCPP geometric optimization and evaluate the effect of the degrees of freedom H1/H (H1 and H are the heights of collector and entrance of collector), R/H (R is the collector radius) and R1/H2 (R1 is the chimney radius and H2 is the chimney height) over the power of the device. For that it is considered an incompressible, turbulent, steady flow with mixed convective heat transfer in a two-dimensional and axisymmetric domain, similar to the one found in a solar chimney. The equations of mass conservation, momentum and energy and the state equation for ideal gases are numerically solved using the finite volume method. The Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) turbulence approach with standard model k – ε was used. The other geometric parameters, as the input radius and outlet of the turbine section, R2 and R3, are considered constant. Verification results showed good agreement with those presented in literature, even for a simplified domain. It is also noticed that the degree of freedom R/H had significant influence over the power. For instance, for R/H = 10 and R/H = 1000 (for the same R1/H2 = 0.04 and H1/H = 10) the difference between the achieved power exceeded 520 %. The ratio R1/H2 also presented large sensibility over the power. The Constructal Design led to an improvement of achieved power, with a difference of 47 times between the best (R1/H2 = 0.04 and R/H = 1000) and the worst (R1/H2 = 0.4 and R/H = 10) geometries. It is also noticed that the power depends on R/H and R1/H2 in such way that the system have capacity to produce the thermal potential in the collector region and driven force enough to flow the air from the hot region towards the chimney outlet. Moreover, optimal shapes were obtained for intermediate ratios of R1/H2 and for the highest ratios of R/H. However, the lowest and highest extremes of R1/H2 led to lower magnitudes of optimal ratios of (R/H)o, showing the influence of one geometric ratio over the geometric pattern of studied device.