Análises térmica e geométrica do receptor tipo Heat Pipe

O receptor é um dos componentes importantes do sistema Dish Stirling, devido à que neste acontece à transformação da irradiação solar em energia térmica útil para o motor. Os motores Stirling podem trabalhar com receptor tipo DIR, estudados na secção 4.2.4 e o receptor heat pipe, a seguir na figura 4.26, apresenta-se um esquema deste tipo de receptor.

Figura 4.26. Receptor tipo heat pipe (Mehos, 2002).

O heat pipe pode trabalhar com diferentes fluidos de trabalho dependendo da aplicação. Para o sistema Dish Stirling, sistemas que operam à alta temperatura o fluido recomendo é o sódio. No receptor o fluido de trabalho é submetido a um processo cíclico de ebulição e condensação, aumentando assim a transferência calor, valor que resulta superior que nos processos convencionais de transferência de calor, para as mesmas condições avaliadas.

Na figura 4.27 mostra-se como é o comportamento do fluxo de calor disponível no motor Stirling com a variação da temperatura média do receptor heat pipe utilizando como fluido de trabalho o sódio.

Figura 4.27. Comportamento do calor disponível no motor Stirling usando receptor tipo heat em dependência da temperatura media do receptor.

Na figura 4.27, pode-se observar que com o aumento da temperatura o fluxo de calor que entra ao motor Stirling diminui, devido ao incremento das perdas presentes na cavidade do receptor. Para o heat pipe os valores do calor disponível no motor Stirling são superiores aos valores obtidos para o receptor tipo DIR, para as mesmas condições avaliadas. É observável que para uma temperatura de 790 K o valor do fluxo de calor é de 2500 kW, enquanto que para uma temperatura de 1290 K o calor é de 490 kW. Alguns dos parâmetros utilizados são definidos na tabela 4.4.

Tabela 4.4. Parâmetros de projetos utilizados para analise do heat pipe.

Parâmetro Valor

Diâmetro do coletor (m) 8

Irradiação solar (W/m2) 900

Velocidade do ar (m/s) 3

Número de tubos do absorvedor do motor 34

Diâmetro externo da tubulação (mm) 10

Comprimento da tubulação (m) 0.15

Comprimento da secção do evaporador (m) 0.1

Comprimento da secção Adiabática (m) 0.1

Comprimento da secção do Condensador (m)

Avaliado o calor entrante ao motor Stirling, é de interesse conhecer como é o comportamento da potência gerada pelo motor, utilizando o receptor tipo heat pipe. Na figura 4.28, apresenta-se a variação da potência gerada pelo motor Stirling em dependência da temperatura do fluido de trabalho, neste caso o fluido utilizado metal liquido foi o Sódio.

Figura 4.28. Comportamento da potência gerada pelo motor Stirling em dependência da temperatura no heat pipe.

No heat pipe, o fluido de trabalho sódio líquido é submetido a um processo cíclico de evaporação e condensação, motivo pelo qual o processo de transferência de calor é realizado de forma isotérmica. A figura 4.28, mostra que o aumento da temperatura causa uma diminuição da potência gerada pelo motor Stirling, observando-se que as maiores potências são obtidas para as temperaturas mais baixas, devido que a altas temperaturas as perdas de calor são maiores, dentro da faixa de temperatura avaliada para este sistema (773-1300K). Para uma temperatura de 773 K a potência gerada foi de 2400 kW, enquanto que para uma temperatura de 1290 K a potência foi de 200 kW.

Na figura 4.29 é mostrado o comportamento da potência gerada pelo motor Stirling para um absorvedor constituído por dois tubos, utilizando receptor heat pipe e sódio como fluido de trabalho.

Figura 4.29. Comportamento da potência gerada pelo motor Stirling Para dois tubos do absorvedor em dependência da temperatura do heat pipe.

Da figura 4.29 é possível concluir que a utilização de receptor heat pipe permite projetar componentes mais compactos atingindo as mesmas potências geradas com o receptor tipo DIR. Comparado os resultados obtido para uma mesma temperatura para os dois tipos de receptores, tem-se que a potência gerada como o receptor tipo DIR é de 11.82 kW, enquanto que a potência gerada com o receptor heat pipe é de 17 kW, tendo como parâmetros de configuração para o receptor tipo DIR 34 tubos com comprimento de 26 cm e para o receptor

heat pipe 2 tubos com comprimento de 15 cm, para uma temperatura de 1123 K.

A avaliação de parâmetros como o fluxo de calor e a potência, não é condição suficiente para garantir a normal operação do receptor heat pipe. Para isto precisa-se analisar e determinar o comportamento dos limites térmico do receptor, mencionados na secção 3.2.5. Na figura 4.30 é apresentado o comportamento de cada um dos limites térmicos em dependência da temperatura de operação do receptor.

Figura 4.30. Limites térmicos de operação do heat pipe em dependência da temperatura do

heat pipe.

Os parâmetros mostrados na figura 4.30 permitem definir a região na qual o heat

pipe pode operar normalmente, nas condições avaliadas de temperatura, pressão e parâmetros

do médio poroso. Avaliadas estas a seguinte etapa consiste em determinar os limites térmicos do heat pipe como: limite sônico, limite de arrastamento, limite capilar, limite de ebulição. Depois calcula-se a potência gerada, valor que deve ser menor que os valores dos limites térmicos. Desta forma, garante-se que para as condições definidas para o heat pipe, este pode trabalhar normalmente, (Reay, 2006).

Na figura 4.31 mostra-se qual é o comportamento da pressão no estado de vapor de alguns fluidos usados no heat pipe, para diversas temperaturas de operação.

Figura 4.31. Comportamento da pressão do vapor de diferentes tipos de fluidos de trabalhos utilizados pelo heat pipe.

O receptor heat pipe é um componente que pode ser usado em diversas aplicações e, portanto, pode trabalhar com diferentes fluidos de trabalhos em dependência da faixa da temperatura de operação. Para altas temperaturas alguns dos fluidos utilizados são, sódio, lítio, potássio, etc., dependendo do fluido de trabalho escolhido para cada aplicação, o receptor vai estar sometido a uma pressão, parâmetro que determina a espessura das paredes do receptor. No caso da água é um fluido utilizado em aplicações de média temperatura, para este fluido é possível observar os valores altos de pressão de vapor para temperaturas de operação menores em comparação a temperatura de operação dos mentais líquidos estudados.

A escolha do fluido de trabalho além de depender da faixa de temperatura de operação do sistema, da compatibilidade entre o fluido de trabalho e o material do heat pipe, item definido na secção 2.5.2.1, também depende do número de MERIT, parâmetro que define a máxima capacidade que tem um fluido para transportar calor. Na figura 4.32 apresenta-se o comportamento do número de MERIT para alguns fluidos de trabalhos, avaliando diferentes temperaturas de operação.

Figura 4.32. Comportamento do numero de MERIT para diferentes fluidos de trabalhos para diferentes temperaturas de operação do heat pipe.

Para as condições avaliadas com o modelo NEST2013, pode-se observar da figura 4.32 que dos fluidos avaliados, o lítio apresenta o melhor comportamento seguido pelo sódio, o potássio e finalmente o césio. Neste trabalho não foi utilizado o lítio devido a que a faixa de operação deste é de 1000K até 1800K, faixa na qual as perdas de calor para o sistema Dish

Stirling são representativas. Sendo o sódio o fluido apropriado, devido à que ajusta-se à faixa

de temperatura do sistema Dish Stirling apresentado o melhor dos comportamento de número de Merit.

Na figura 4.33 apresentasse como é o comportamento do fluxo de calor entrante ao motor Stirling, utilizando como fluido de trabalho o sódio, o césio e o potássio.

Figura 4.33. Comportamento do fluxo de calor entrante ao motor Stirling para diferentes fluidos de trabalho do heat pipe em dependência da temperatura media do receptor.

Da figura 4.33 é possível observar que para as condições avaliadas dos três fluidos o sódio apresenta o melhor comportamento, seguido do potássio e o césio. No caso do césio e do potássio, observa-se que com o aumento da temperatura a quantidade de calor que entra ao motor Stirling aumenta, até atingir um ponto máximo, despois desse ponto todo aumento da temperatura causa uma diminuição do calor que entra ao motor. Conferindo-se com os resultados o comportamento do número de Merit apresentado pelos diferentes fluidos. A seguir na tabela 4.5, apresentasse alguns dos parâmetros do heat pipe.

Tabela 4.5. Parâmetros do heat pipe

Parâmetro Valor Referência

Altura do médio Poroso (m) 0.0005 Definido para o projeto

Radio de nucleação (m) 2.5e-7 (Trolove, 1994)

Fração volumétrica 0.5 (Trolove, 1994)

Zona de evaporação (m) 0.1 Definido para o projeto

Zona adiabática (m) 0.1 Definido para o projeto

Zona de condensação (m) 0.15 Definido para o projeto

Comprimento total (m) 0.35 Definido para o projeto

Comprimento efetivo(m) 0.225 Definido para o projeto

Ângulo de inclinação do receptor (°)

80 Definido para o projeto

Condutividade térmica do médio poroso (W/mK)

Finalmente na figura 4.34, é mostrado o comportamento da potência gerada pelo motor Stirling para diferentes fluidos de trabalhos.

Figura 4.34. Comportamento da potência gerada pelo motor Stirling para diferentes fluidos de trabalho do heat pipe em dependência da temperatura do receptor.

A figura 4.34 mostra que as maiores potências são obtidas para o sódio, seguido pelo potássio e o césio. O sódio com o aumento da temperatura apresenta uma diminuição da potência gerada pelo motor, enquanto o potássio e o césio, inicialmente apresentam o mesmo comportamento, que muda para altas temperaturas onde a potência apresenta uma diminuição.