Arranjo da simulação numérica

A simulação numérica foi conduzida a partir da definição das variáveis operacionais do sistema TES. Tais parâmetros determinam as condições de trabalho, dimensões e os materiais a serem empregados no armazenamento e no isolamento dos tanques. Em concordância com as variáveis operacionais, as propriedades térmicas dos materiais de armazenamento e de isolamento são fundamentais no decorrer da análise, são elas que determinarão as perdas de calor do sistema. As condições ambientais (irradiação solar, velocidade do vento e temperatura ambiente) cujo sistema está inserido também são variáveis de entrada para a simulação.

• Variáveis operacionais:

São as variáveis que estão atreladas a operação do sistema, como a capacidade de armazenamento, a temperatura do tanque quente, a temperatura do tanque frio e os níveis máximo e mínimo. A capacidade de armazenamento geralmente é apresentada em MWh e representa a quantidade de energia estocada pelo sistema TES. As temperaturas de tanque quente ou frio são as temperaturas nominais com as quais estes irão trabalhar, essas temperaturas indicam o intervalo de temperatura para armazenamento de sistemas por calor sensível. Os níveis máximo e mínimo do tanque representam o volume de material de armazenamento quando o sistema esta totalmente carregado e descarregado, respectivamente.

São as variáveis que estão atreladas as dimensões do tanque, como o diâmetro, altura e espessuras de isolamento. O diâmetro e altura do tanque dependem diretamente da capacidade e das propriedades do material de armazenamento. As espessuras de isolamento indicam a quantidade de material isolante necessário para manter a temperatura interna do tanque constante.

• Material de armazenamento e suas propriedades:

Esse material, em conjunto com os tanques, é um dos principais componentes dos sistemas TES, portanto conhecer as suas propriedades e sua dependência para com a temperatura são fundamentais. As principais propriedades, para esta pesquisa, deste material são: calor específico a pressão constante, massa específica, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, difusividade térmica e viscosidade dinâmica. Além das propriedades do material é primordial que este apresente estabilidade termoquímica para os inúmeros ciclos de carga e descarga e para as temperaturas operacionais do sistema.

• Materiais de isolamento e suas propriedades:

Esses materiais tem por finalidade garantir o isolamento do material de armazena- mento e são primordiais no que diz respeito a eficiência do sistema. Analogamente ao material de armazenamento, conhecer suas propriedades e sua dependência para com a temperatura é fundamental para a análise. As principais propriedades destes mate- riais são: calor específico a pressão constante, massa específica, difusividade térmica e condutividade térmica. Assim como o material de armazenamento é importante que estes materiais suportem as temperaturas operacionais do tanque.

• Condições ambientais:

Como introduzido na seção 4, que trata da modelagem do sistema, as condições ambientais da região cuja planta heliotérmica está situada são parâmetros a serem considerados na análise. A irradiação solar, a velocidade do vento e a temperatura ambiente são os parâmetros considerados neste estudo.

Definidos os parâmetros operacionais da planta, os materiais do sistema TES e

suas propriedades, e as condições externas as quais os tanques estão submetidos, deve-se

identificar as condições iniciais da simulação. Para este trabalho optou-se por avaliar as perdas do sistema a partir do horário cujo mesmo está totalmente carregado. O sal solar, a superfície de sal, o gás atmosférico, bem como as paredes, o teto e o fundo foram considerados inicialmente como isotérmicos à temperatura nominal do tanque, seja ele quente ou frio.

Com as condições iniciais e de contorno estabelecidas, a discretização dos elementos pode ser efetuada, atribuindo as propriedades de cada um de acordo com o material e sua

6.2. Simulações 69

temperatura. Em seguida as etapas de cálculos se sucedem, sendo resolvidos primeiramente os sistemas lineares para as temperaturas das paredes, do fundo e do teto do tanque, logo após as temperaturas do gás, da superfície de sal e do sal solar são calculadas. Para cada etapa do processo os coeficientes de transferência de calor são calculados. Por fim, os dados das propriedades, coeficientes e quantidades de calor são armazenados para análise posterior.

6.2

Simulações

As simulações foram conduzidas no intuito de verificar a sensibilidade do sistema TES de calor sensível por dois-tanques às inúmeras condições as quais a planta está submetida. Os principais parâmetros a serem analisados são: eficiência de armazenamento, taxa de calor perdido e taxa de resfriamento dos tanques. Essas variáveis mapeiam o desempenho de um sistema de armazenamento térmico.

A eficiência de armazenamento é definida como a razão entre a quantidade de energia entregue pelo sistema e a quantidade nominal de energia armazenada. Normalmente esta eficiência é calculada após um tempo de análise, dado que a temperatura do fluido de armazenamento decai com o tempo. A Equação 6.1 representa matematicamente a eficiência do sistema TES.

ηT ES(t) =

Tquente(t) − Tf rio

Tquente(0) − Tf rio

(6.1) sendo, ηT ES(t) a eficiência do sistema TES ao longo do tempo, Tquente(t) a temperatura do

tanque quente no instante de tempo t, Tquente(0) a temperatura nominal do tanque quente

e Tf rio a temperatura nominal do tanque frio.

A taxa de calor perdido do sal, assim como a eficiência, é dependente do tempo e é definida como a energia por unidade de área que o sal perde para o ambiente. Este valor pode ser discriminado por superfície, sendo possível identificar em qual delas o material de armazenamento esta perdendo mais calor. A Equação (6.2) representa matematicamente o fluxo da perda de calor.

˙

Qperda = msalcpsal

T (t) − T (0)

dt (6.2)

sendo, ˙Qperda é a taxa de calor perdido, T (t) a temperatura do sal no instante de tempo t

e T (0) a temperatura do sal no instante de tempo t=0.

A taxa de resfriamento do tanque representa a queda de temperatura com o decorrer do tempo. Este parâmetro é fundamental para determinar o tempo com o qual o sistema irá atingir a temperatura de cristalização do sal, sendo este um ponto crítico de projeto

dos tanques de armazenamento térmico. Esta taxa é comumente expressa em K/dia ou

◦_C/dia.