EM ENGENHARIA MECÂNICA
Gaylord Enrique Carrillo Caballero
ESTUDO E MODELAGEM DOS COMPONENTES DE UM SISTEMA
DISH STIRLING VISANDO À OTIMIZAÇÃO DA POTÊNCIA E A
EFICIÊNCIA DO SISTEMA.
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Mecânica como parte dos requisitos para
obtenção do Titulo de Mestre em Ciência em Engenharia
Mecânica.
Área de Concentração: Conversão de Energia
Orientador: Pr. Dr. Electo Eduardo Silva Lora
Co-Orientador: Pr. Dr. Vladimir Melian Cobas
Dezembro de 2013
Itajubá-M.G
EM ENGENHARIA MECÂNICA
Gaylord Enrique Carrillo Caballero
ESTUDO E MODELAGEM DOS COMPONENTES DE UM SISTEMA
DISH STIRLING VISANDO À OTIMIZAÇÃO DA POTÊNCIA E A
EFICIÊNCIA DO SISTEMA.
Dissertação aprovada por banca examinadora em 04 de
novembro de 2013, conferindo ao autor o titulo de Mestre
Em Ciências em Engenharia Mecânica.
Pr. Dr. Electo Eduardo Silva Lora (Orientador)
Pr. Dr. Vladimir Rafael Melian Cobas (Co-Orientador)
Pr. Dr. Luciana Márcia de Oliveira Melo
Pr. Dr. Flavio Neves Teixeira
Itajubá-MG
2013
Aos meus pais Haydee Caballero e Pablo Carrillo, por seu amor, compressão e apoio incondicional, não importa a hora, o dia o lugar você sempre vai estar ai.
Aos meus irmãos Dairo Carrillo Caballero e Garyn Carrillo Caballero por seu apoio, fortaleza, paciência e compressão.
Melián Cobas, graças a eles por toda sua colaboração e pela ajuda no logro deste objetivo.
Agradeço a meus amigos Luis Sebastian e Ana Lisbeth, já que mais que uns amigos são os irmãos que encontrei no Brasil, graças por seu apoio, colaboração, paciência e amizade.
A Elkin, Ruben, Dimas; Yuleimis, Cesar, Carlos, Jose Carlos, Angie, Yina, German, Quelbis por companheirismo e ajuda nesta estadia no Brasil.
Aos professores do NEST e da UNIFEI por sua colaboração, seus conselhos, pelo tempo e disposição.
Agradeço á professora Dr. Luciana Márcia de Oliveira Melo e ao professor Dr. Flavio Neves Teixeira por ter aceitado participar na banca de minha dissertação.
Ao instituto de Engenharia Mecânica da UNIFEI, representado pelos dedicados funcionários por toda sua colaboração e pela ajuda recebida deles.
CARRILLO, G. E. C. (2013), (Dish Stirling), Estudo e Modelagem dos Componentes de um Sistema Dish Stirling Visando à Otimização da Potência e a Eficiência do Sistema, Itajubá, 158p. Dissertação (Mestrado em Conversão de Energia). Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
Este trabalho apresenta os resultados da otimização da potência e da eficiência térmica do sistema Dish Stirling, a partir de um modelo matemático que permite analisar o comportamento dos componentes do sistema. O modelo matemático determina inicialmente os parâmetros geométricos do coletor solar, como concentração geométrica, ângulo de borda, área do paraboloide, diâmetro do receptor, etc. com a finalidade de quantificar a energia térmica que atinge a superfície do receptor. O desenvolvimento desta etapa teve como referência o trabalho realizado por Mendoza, (2012), o qual contribuiu no estudo dos parâmetros, requeridos para a caraterização do concentrador solar. Despois foi elaborada uma análise para o dimensionamento da cavidade, determinando as perdas presentes no interior, com a finalidade de fazer a caracterização geométrica e térmica dos receptores solares propostos para este trabalho (DIR e heat pipe). A caracterização foi elaborada a partir de parâmetros reais como: a velocidade do vento, material do receptor, temperatura ambiente, irradiação solar, etc., obtendo-se a energia útil que atinge ao motor Stirling. Além disso, foi estudado o regenerador, componente que contribui no incremento da eficiência térmica do motor Stirling. Finalmente foi realizada a otimização do sistema, com o objetivo de obter a melhor configuração geométrica para as condições avaliadas, usando como ferramenta computacional Modefrontier. O modelo matemático desenvolvido no trabalho foi validado baseado em dados da literatura cientifica especializada. Os resultados mostraram que para baixas velocidades do vento, menores a 3.9m/s e ângulos de inclinação entre 70° e 85°, as perdas por radiação na cavidade afetam de maneira considerável o comportamento térmico do sistema, resultando maiores que as perdas por convecção e por condução. Além disso, é possível concluir que para o receptor tipo heat pipe o calor fornecido ao motor Stirling e a potência gerada pelo motor são maiores que no receptor tipo DIR.
Palavras chave: Conversão de Energia, Energia Solar, Regenerador, Receptor tipo DIR, Receptor de tipo heat pipe, Motor Stirling, Otimização Multiobjectivo.
Aiming at Optimizing the Power and the Efficiency of the system, Itajubá 158P, MSc. Dissertation (Masters in Energy Conversion). Institute of Mechanical Engineering, Universidade Federal de Itajubá.
This paper presents the results of the Dish Stirling power and thermal efficiency optimization, from a mathematical model to analyze the behavior of system components. The mathematical model initially determines the geometric parameters of the solar collector, as a geometric concentration, edge angle, paraboloid area, aperture diameter of the receiver, etc. in order to quantify the thermal energy that reaches the surface of the receiver. The development of this step had as a reference the work of Mendoza, (2012), which contributed in the study of the parameters required for the characterization of the solar concentrator. After was elaborated an analysis for sizing the cavity, determining the losses present in the interior, in order to make the thermal and geometrical characteristics of the solar receivers proposed for this work (DIR and heat pipe). The characterization was developed from actual parameters as: wind speed, material receiver, ambient temperature, solar radiation, etc., obtaining useful energy that reaches the Stirling engine. In addition, it was studied the regenerator, component that contributes in increasing the thermal efficiency of the Stirling engine. Finally was doing the system’s optimization, with the objective of get the best geometric configuration for the conditions evaluated, using as a computational tool Modefrontier. The mathematical model developed in the work was validated based on data from the specialist scientific literature. The results showed that at low wind speeds, lower at 3.9m/ and tilt angles between 70 ° and 85 °, the radiation losses in the cavity affect considerably the thermal behavior of the system, resulting higher than the convection and conduction losses. Furthermore it is possible to conclude that the heat pipe receiver, the heat supplied to the Stirling engine and the power generated by the engine are greater than the receiver type DIR.
Keywords: Energy Conversion, Solar Energy, Regenerator, Receiver type DIR, Receiver type heat pipe, Stirling Engine, multiobjective optimization.
SUMARIO LISTA DE TABELAS...III LISTA DE FIGURAS...IV SIMBOLOGIA...VIII ... 1 CAPITULO 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 JUSTIFICATIVA ... 3 1.2 OBJETIVOS ... 4 1.2.1 Objetivo Geral...4 1.2.2 Objetivos Específicos...4 1.3 ORGANIZAÇÃODOTRABALHO ... 5 ... 6 CAPITULO 2. 2.1 FORMAS DE APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR ... 6
2.1.1 Radiação Solar...7
2.2 TECNOLOGIAS DE APROVEITAMENTO TÉRMICO ... 8
2.2.1 Tecnologias de Concetração Solar ...¡Error! Marcador no definido. 2.2.2 Sistemas Dish Stirling...¡Error! Marcador no definido. 2.2.3 Alguns Sistemas Instalados no Mundo...13
2.3 MOTORES STIRLING ... 15
2.3.1 Tipos de motores Stirling...16
2.4 RECEPTORES DO SISTEMA DISH STIRLING ... 19
2.4.1 Receptores de Tubos Diretamente Iluminado (DIR)...19
2.4.2 Receptores Tipos Refluxo...20
2.5 REGENERADOR ... 29
2.5.1 Características dos regeneradores...30
2.5.2 Tipos de regeneradores...32
2.6 OTIMIZAÇÃO MULTIOBJETIVA ... 36
... 39
CAPITULO 3. 3.1 ANALISE OPTO-GEOMÉTRICO DO CONCENTRADOR SOLAR ... 39
3.1.1 Concentração solar em um disco tipo paraboloide de revolução...42
3.1.2 Energia disponível no interior da cavidade do receptor...43
3.1.3 Eficiência ótica de um coletor parabólico...44
3.2 RECEPTOR DO SISTEMA DISH STIRLING ... 45
3.2.1 Analise geometrica do contêiner do receptor do Sistema Dish Stirling...46
3.2.2 Perdas de Calor no receptor...49
3.2.4 Cálculo das propriedades do fluido do receptor...57
3.2.5 Limite Operacional do Receptor Heat Pipe...58
3.2.6 Transferência de calor na condensação...61
3.2.7 Fluxo no Interior de Tubulações...64
3.3 ANÁLISE DE PARÂMETROS NO REGENERADOR... 66
3.3.1 Raio hidráulico e porosidade volumétrica do regenerador...66
3.3.2 Perda de pressão no regenerador...66
3.3.3 Cálculo do fluxo de calor absorvido pelo regenerador do fluido...67
3.3.4 Calculo termodinâmico do calor ideal no regenerador...69
3.3.5 Eficiência do regenerador...70
3.4 MOTOR STIRLING ... 70
3.4.1 Ciclo ideal do Motor Stirling...71
3.4.2 Determinação do trabalho realizado no ciclo Stirling...74
3.4.3 Calor fornecido ao ciclo do motor stirling...75
3.4.4 Eficiência térmica do ciclo...76
CAPITULO 4 ... 77 .
4.1 METODOLOGIADADISSERTAÇÃO ... 77
4.2 PRINCIPAISRESULTADOSOBTIDOSDASCONDIÇÕESAVALIADASCOM OMODELONEST2013PARAOFUNCIONAMIENTODOSISTEMADISHSTIRLING ...83
4.2.1 Analise opto-geométrico do concentrador paraboloide...83
4.2.2 Análise das perdas de calor presentes na cavidade do sistema Dish Stirling....86
4.2.3 Analise da inclinação da cavidade do receptor...89
4.2.4 Analise do sistema Dish Stirling com receptor tipo DIR...93
4.2.5 Analise do regenerador do motor Stirling em dependência da velocidade de rotação do motor...95
4.2.6 Análises térmica e geométrica do receptor tipo Heat Pipe...100
4.3 OTIMIZAÇÃODAPOTÊNCIAEAEFICIÊNCIADOSISTEMADISHSTIRLING APARTIRDATÉCNICADEOTIMIZAÇÃOMULTIOBJETIVAUSANDO MODEFRONTIER ... 108
4.3.1 Otimização da potência e da eficiência do sistema Dish Stirling com receptor tipo Heat Pipe ...116
4.4 VALIDAÇÃODOMODELOMATÉMATICO ... 122
4.4.1 Validação da potência elétrica...123
4.4.2 Validação da eficiência do receptor ...123
4.4.3 Validação da eficiência global do sistema Dish Stirling...124
4.4.4 Validação do modelo NEST2013 com dados do sistema EURODISH ...125
CAPITULO 5 ... 127 .
5.1 CONCLUSÕES ... 127
5.2 CONTRIBUIÇÕES ... 128
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 130
LISTA DE TABELAS Tabela 2.1. Comparação de tecnologias solares ...9
Tabela 2.2. Dados de compatibilidade para diferentes materiais do heat pipe...23
Tabela 2.3. Recomendações de compatibilidade de alguns materiais e fluidos...24
Tabela 3.1. Parâmetros para a determinação do valor de viscosidade dinâmica...57
Tabela 3.2. Parâmetros para a determinação do valor de condutividade térmica...58
Tabela 4.1. Alguns dos parâmetros definidos em Matlab para desenvolver o modelo matemático NEST2013...82
Tabela 4.2. Parâmetros utilizados para o estudo do Concentrador...83
Tabela 4.3. Alguns parâmetros utilizados na modelagem do sistema Dish Stirling...86
Tabela 4.4. Parâmetros de projetos utilizados para analise do heat pipe...101
Tabela 4.5. Parâmetros do heat pipe...107
Tabela 4.6. Classificação dos experimentos em base do critério de escolha...114
Tabela 4.7. Parâmetros do melhor experimentopara o sistema Dish Stirling com receptor tipo DIR...115
Tabela 4.8. Classificação dos experimentos em base do critério de escolha...121
Tabela 4.9. Parâmetros de projeto de sistemas Dish Stirling com receptor tipo heat pipe...121
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Aplicações da Energia Solar . ... 7
Figura 2.2. Ilustração da atuação da atmosfera sobre os raios solares ... 8
Figura 1.1.Sistema de receptor central ...10
Figura 1.4.Sistema cilíndrico parabólico...10
Figura 2.5. Esquema de um sistema Dish Stirling. ... 12
Figura 2.6 . Protótipo do sistema Dish Stirling do campo Solar Eurodish na Alemanha ... 13
Figura 2.7. Figura 6. Protótipo Dish Stirling nos EUA ... 14
Figura 2.8. Protótipos Dish Stirling na Arábia Saudita ... 14
Figura 2.9. Motor Stirling tipo alfa... 17
Figura 2.10. Motor Stirling tipo beta ... 18
Figura 2.11. Motor Stirling tipo gamma ... 18
Figura 2.12. Receptor diretamente iluminado com tubos ... 19
Figura 2.13. Motor Stirling na configuração pistão livre ... 20
Figura 2.14. Representação esquemática do receptor heat pipe híbrido ... 21
Figura 2.15. Faixa de Temperatura útil para os fluidos de trabalho, ... 27
Figura 2.16. Classificação dos fenômenos de transporte em meios porosos com base no fluxo de uma ou duas fases a traves dos poros ... 28
Figura 2.17. Projetos de regeneradores que utilizam compostos como suporte da estrutura de metal ... 31
Figura 2.18. Regenerador de operação estática ... 32
Figura 2.19. Direção do fluxo do fluido de trabalho no interior do regenerador, quando o pistão deslocador está localizado na área quente e na zona fria. ... 33
Figura 2.20. Motor Stirling com regenerador externo ... 33
Figura 2.21. Seção transversal do motor Stirling Philips com regenerador anular externo ... 34
Figura 2.22. Motor Rider com regenerador interno... 35
Figura 2.23. Componentes de um regenerador deslocável. ... 36
Figura 2.24. Classificação dos métodos de otimização. ... 37
Figura 2.25. Estrutura do algoritmo NSGAII. ... 38
Figura 3.2. Paraboloide de revolução ... 40
Figura 3.3. Caracterização energética do concentrador solar ... 43
Figura 3.4. Ilustração do contêiner do receptor. ... 46
Figura 3.5. Analise da resistência térmica da parede do contêiner do receptor. ... 47
Figura 3.6. Temperatura de operação de alguns materiais isolantes. ... 49
Figura 3.7. Seção lateral do receptor indicando as principais causas de perdas no sistema. .... 50
Figura 3.8. Destino final da energia em um sistema de Stirling prato ... 50
Figura 3.9. Volume máximo do fluido no espaço de compressão. ... 71
Figura 3.10. Volume mínimo do fluido no espaço de compressão. ... 72
Figura 3.11. Volume mínimo do fluido no espaço de expansão. ... 72
Figura 3.12. Volume máximo do fluido no espaço de expansão de. ... 73
Figura 3.13. Volume máximo do fluido no espaço de compressão. ... 73
Figura 3.14. Ciclo termodinâmico do motor Stirling ... 74
Figura 4.1. Etapas da dissertação. ... 77
Figura 4.2. Fluxo de energia no sistema Dish Stirling. ... 78
Figura 4.3. Algoritmo sequencial de solução parte 1. ... 80
Figura 4.4. Algoritmo sequencial de solução parte 2. ... 81
Figura 4.5. Algoritmo sequencial de solução parte 3. ... 82
Figura 4.6. Comportamento das perdas térmicas na cavidade do receptor em relação à variação do diâmetro do coletor...84
Figura 4.7. Comportamento da eficiência do sistema Dish Stirling em relação à variação do diâmetro do coletor. ... 85
Figura 4.8. Comportamento da potência elétrica do sistema Dish Stirling em relação à variação do diâmetro do coletor. ... 85
Figura 4.9. Comportamento da perda de calor por condução em relação à variação da temperatura media do receptor. ... 87
Figura 4.10. Comportamento da perda de calor por convecção e radiação em relação à variação da temperatura media do receptor. ... 88
Figura 4.11. Comportamento da perda de total de calor em relação à variação da temperatura media do receptor. ... 88
Figura 4.12. Configuração geométrica da inclinação da cavidade do receptor. ... 89
Figura 4.13. Variação do ângulo de inclinação. ... 90
Figura 4.14. Comportamento das perdas por convecção em função do ângulo de inclinação e da velocidade do ar. ... 91
Figura 4.15. Comportamento dos diferentes tipos de perdas de calor e da perda total de calor em dependência do ângulo de inclinação. ... 91 Figura 4.16. Representação do efeito da velocidade do ar sobre a perda de calor por convecção. ... 92 Figura 4.17. Comportamento da perda de calor em dependência da velocidade do ar. ... 92 Figura 4.18. Comportamento do calor entrante ao motor Stirling em dependência da temperatura media do receptor. ... 93 Figura 4.19. Comportamento da potência do motor Stirling em dependência da temperatura media do receptor. ... 94 Figura 4.20. Comportamento da eficiência do receptor tipo DIR, do motor Stirling e da do sistema Dish Stirling em dependência da temperatura media do receptor. ... 95 Figura 4.21. Comportamento da perda de pressão para diferentes malhas regenerativas em dependência da velocidade de rotação do motor Stirling. ... 96 Figura 4.22. Comportamento do calor armazenado em dependência da velocidade de rotação do motor Stirling. ... 97 Figura 4.23. Comportamento da eficiência do regenerador em dependência da velocidade de rotação do motor Stirling. ... 97 Figura 4.24. Comportamento da potência do motor Stirling em função da velocidade de rotação do motor Stirling. ... 98 Figura 4.25. Comportamento do calor rejeitado no refrigerador e do comprimento da tubulação do refrigerador em dependência da temperatura media do receptor. ... 99 Figura 4.26. Receptor tipo heat pipe. ... 100 Figura 4.27. Comportamento do calor entrante ao motor Stirling usando receptor tipo heat pipe em dependência da temperatura media do receptor. ... 101 Figura 4.28. Comportamento da potência gerada pelo motor Stirling em dependência da temperatura no heat pipe... 102 Figura 4.29. Comportamento da potência gerada pelo motor Stirling Para dois tubos do absorvedor em dependência da temperatura do heat pipe. ... 103 Figura 4.30. Limites térmicos de operação do heat pipe em dependência da temperatura do heat pipe. ... 104 Figura 4.31. Comportamento da pressão do vapor de diferentes tipos de fluidos de trabalhos utilizados pelo heat pipe. ... 105 Figura 4.32. Comportamento do numero de MERIT para diferentes fluidos de trabalhos para diferentes temperaturas de operação do heat pipe. ... 106
Figura 4.33. Comportamento do calor entrante ao motor Stirling para diferentes fluidos de
trabalho do heat pipe em dependência da temperatura media do receptor. ... 107
Figura 4.34. Comportamento da potência gerada pelo motor Stirling para diferentes fluidos de trabalho do heat pipe em dependência da temperatura media do receptor. ... 108
Figura 4.35. Fluxograma da otimização do sistema Dish Stirling com receptor tipo DIR. ... 110
Figura 4.36. Experimentos viáveis, experimentos não viáveis e melhores comportamentos. 111 Figura 4.37. Comportamento dos experimentos em dependência da velocidade do ar e da temperatura media do receptor. ... 112
Figura 4.38. Frente de Pareto para o sistema Dish Stirling com receptor tipo DIR. ... 113
Figura 4.39. Comportamento dos experimentos em dependência do critério de escolha. ... 114
Figura 4.40. Fluxograma da otimização do sistema Dish Stirling com receptor tipo heat pipe. ... 116
Figura 4.41. Experimentos viáveis, experimentos não viáveis e melhores comportamentos. 118 Figura 4.42. Comportamento dos experimentos em dependência da velocidade do ar e da temperatura media do receptor. ... 119
Figura 4.43. Frente de Pareto para o sistema Dish Stirling com receptor tipo heat pipe. ... 120
Figura 4.44. Comportamento dos experimentos em dependência do critério de escolha. ... 120
Figura 4.45. Validação da potencia elétrica ... 123
Figura 4.46. Validação da eficiência do receptor. ... 124
Figura 4.47. Validação da eficiência global do sistema. ... 125
SIMBOLOGIA
Letras Latinas
A Área (m2)
Área Externa da Cavidade (m2)
Área Interna da Cavidade (m2)
Cp Calor Especifico a Pressão Constante (J/kgK)
CV Calor Especifico a Volume Constante (J/kgK)
C Concentração
D Diâmetro (m)
Diâmetro de Fio (m)
f Distancia Focal (m)
Coeficiente de Fricção para o duto
Coeficiente de Fricção para o Meio Poroso
g Aceleração da Gravidade (m/s2)
Número de Grashof
h Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção (W/m2K)
Largura da Estrutura Porosa (m)
hfg Calor Latente de Evaporação (J/kg)
Condutividade Térmica do Aço (W/mK)
Condutividade Térmica do Isolamento (W/m2K)
Permeabilidade do Meio Poroso (m2)
Coeficiente de Stirling
L2 Comprimento (m)
̇ Taxa de Fluxo de Massa (kg/s)
Número de Malhas
NU Número de Nusselt Q Calor (W) P Pressão (Pa) Número de Peclet q Calor Especifico (W/m2) r Raio (m) R Resistência Térmica (W/m2K) T Temperatura (K)
Temperatura da Superfície Externa do Isolamento (K)
Velocidade Media (m/s)
W Trabalho (W)
w Rotação do Motor Stirling (rpm)
Volume Máximo (m3) Volume Mínimo (m3) x Espessura (m) X, Y, Z Coordenadas cartesianas (m) Letras Gregas Mudança ou Incremento
Coeficiente de Expansão Térmica (K-1)
Porosidade do Meio Poroso (m)
Emissividade da Cavidade
Tensão Superficial (N/m)
Constante de Estefan Boltzmann (W/m2K4)
Viscocidade Dinamica (Pa.S)
Ângulo de Borda (°)
Eficiência
ρ
Densidade(kg/m
3)
Refletividade Transmitância Absorbância Difusividade Térmica (m2/s) Fator de Interceptação Ângulo de incidência (°)Ângulo de Inclinação da Cavidade (°)
Viscosidade Cinematica (m2/s) Condutividade Térmica (W/mK) Sobrescritos s n Subscritos ab Abertura ad Adiabática amb Ambiente c Condensador cav Cavidade co Região Fria cond Condução conv Convecção e Núcleo de vapor Efetivo eva Evaporador
for Forçado (a) hi Hidráulico i Interno L Líquido m Motor n Nucleação o Ótica P Abertura Rad Radiação re Receptor ref Refletida sup Superfície t Total v Vapor w Wick Abreviaturas AM Massa do Ar
AISI Instituto Americano de Ferro e Aço CCP Coletores Cilíndricos Parabólicos CRS Sistemas de Receptor Central
cav Cavidade
DP Discos Parabólicos
Ext Externo (a)
GA Algoritmo Genético
Nat Natural
pe Perda
Re Número de Reynolds Siglas
Cresesb Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito CEI Centro de Pesquisa de Energia
DIR Receptor Diretamente Iluminado
DLR Parabolic Dishes Peter Heller Company
DOE Departamento Norte-Americano de Energia, Desenho de Experimentos EUA Companhia de Tecnologia Stirling
Inabensa Empresa “Interlocutora en Ingeniería y Construcción Industrial” NSGAII Algoritmo de Ordenação Não-Dominada
CAPITULO 1. INTRODUÇÃO
Fontes de energia renovável como a biomassa (cana de açúcar, floretas energéticas, resíduos de animais e industriais), o vento, o sol, as águas fluviais e marítimas, podem ser utilizadas para gerar eletricidade principalmente através de centrais termelétricas, usinas hidrelétricas, eólicas, solar e solar-fotovoltaicas (Palz, 2002). Segundo Global Estatus Report (2013), o consumo global de combustíveis possui um perfil onde os combustíveis fósseis participam com 78.2%, seguido pelas energias renováveis com um 19% e finalmente aparece a energia nuclear com 2.8%. Da parcela da energia renovável, 9,3% corresponde à biomassa tradicional, enquanto que o restante, 9,7% corresponde a fontes modernas de energias renováveis. Dentre as fontes modernas de energia renováveis se encontra o conjunto conformado por fontes de energias térmicas tais como a biomassa, a solar e a geotérmica com uma participação de 4,1%, logo se encontra as hidroelétricas com o 3,7%, seguida pelo conjunto de geração de energia a partir de fontes como são o vento, a solar, a biomassa, a geotérmica com uma participação do 1,1% e finalmente aparecem os biocombustíveis com o 0,8%, para gerar eletricidade.
O Bras m pa s e p ss ma radiação solar que varia na faixa de 8-22MJ/m2 dia, e aprese a m per e m ma ra a r mes re e ma e as es a es s ar m ricas registram intensidade de radiação na faixa de 8-18 MJ/m2
. Neste trimestre uma vasta região do Brasil incluindo o oeste s es a s e ear a a e a fronteira sul do estado da Bahia registram-se “ce r e m x ma ra a s ar a fa xa e 18 MJ/m2 r mes re e r em r e em r para as es a es s ar m r cas registram intensidades de radiação acima de 16 MJ/m2 dia, máxima de 24 MJ/m2 dia e valores de 22 MJ/m2dia em uma vasta região do Nordeste do Brasil. A região central do Nordeste brasileiro possui o menor índice de nebulosidade, logo o maior índice de radiação solar, onde as influências da costa marítima, da zona de convergência inter-tropical e dos sistemas frontais do Sul são menores (Tiba, et al, 2000).
As tecnologias solares são uma das tecnologias mais promissoras dentro das fontes de energia renovável, motivo pelo qual na atualidade são objeto de estudo. Nos sistemas de alta concentração e mais especificamente dos sistemas Dish Stirling, as perdas de calor presentes na cavidade do receptor são (Paitoonsurikarn et al, 2004):
Condução, este tipo de perda de calor presente na cavidade do receptor, depende da temperatura da parede do receptor e do material do isolamento.
Convecção, esta perda de calor é fortemente influenciada pela velocidade do ar e pelo ângulo de inclinação da cavidade.
Radiação, a perda de calor por radiação na cavidade do receptor depende da temperatura da parede da cavidade, dos fatores de forma, da emissividade e absortividade das paredes do receptor.
Com o estudo e caraterização das perdas de calor podem-se minimizar estas e melhorar a eficiência do sistema. Reis (2003) afirma que a tecnologia de sistema Dish Stirling tem alguns atributos, como a melhora da eficiência do sistema, além de possuir um coletor modular e uma unidade receptora que podem funcionar independentemente ou como parte do sistema. Nesse tipo de sistema, a eficiência comprovada para a conversão de irradiação solar em eletricidade é de 28% para o ciclo Stirling e de 15% para o ciclo Rankine com fluido orgânico (Palz, 2002).
1.1 JUSTIFICATIVA
Na atualidade, o grande desafio da engenharia é o aproveitamento das fontes renováveis; com a finalidade de reduzir as emissões dos poluentes, descentralizar a geração de energia elétrica e competir com os combustíveis fósseis. A comunidade científica está procurando através de pesquisas que estas tecnologias sejam verdadeiramente sustentáveis ou que garanta o fortalecimento na geração contínua e eficiente da energia elétrica.
Os sistemas Dish Stirling são concentradores solares de alta temperatura, onde a irradiação solar direta atinge um receptor localizado em um ponto focal. Estes sistemas estão caracterizados por ter altos valores de eficiência na conversão da irradiação solar em energia elétrica (27% - 32%), onde as maiores perdas térmicas ocorrem no receptor. É por isso que neste trabalho foram estudados os mecanismos de transferência de calor, considerando os fenômenos associados com as perdas térmicas na cavidade do receptor. Tudo isto visando à compreensão deste componente e do sistema em geral, para facilitar a implementação em um projeto experimental e sua posterior integração no sistema híbrido (Solar/Biomassa) que vai ser executado na UNIFEI.
O trabalho permitiu o estudo e a caracterização de um sistema Dish Stirling, usando dois tipos de receptores DIR e heat pipe; no caso deste último a literatura cientifica é escassa, dai a importância da dissertação que representa uma base para futuras pesquisas no BRASIL. Além disso, este tipo de trabalho tem como objetivo desenvolver ferramentas que permitam viabilizar em um futuro o uso do sistema.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo principal do trabalho é a otimização da potência e da eficiência de um sistema
Dish Stirling, a partir do desenvolvimento de um modelo matemático e da variação de
parâmetros de projeto.
1.2.2 Objetivos Específicos
Os seguintes objetivos específicos são necessários para atingir o objetivo principal:
Avaliar os mecanismos de transferência de calor e os parâmetros que influenciam as perdas de calor na cavidade do receptor.
Elaborar um modelo matemático que permita estudar o comportamento do sistema
Dish Stirling utilizando um receptor tipo DIR (Receptor Diretamente Iluminado).
Elaborar um modelo matemático que permita estudar o comportamento do sistema
Dish Stirling utilizando um receptor tipo Heat Pipe.
1.3 ORGANIÇÃO DO TRABALHO
A presente dissertação foi elaborada usando a seguinte estrutura: Capítulo 1.
Neste capítulo incluem-se os tópicos que foram estudados no presente trabalho como: a introdução, a justificativa e os objetivos.
Capítulo 2.
Neste capítulo mostra-se um resumo de alguns dos trabalhos realizados no mundo nos últimos anos. Além disso, são descritas algumas das caraterísticas dos sistemas, este capítulo serve de base para a realização do modelo matemático dos componentes do sistema Dish Stirling. Capítulo 3.
Neste capítulo apresentam-se os conceitos e fundamentos teóricos para entender os assuntos relacionados com os concentradores de disco parabólico. Estudam-se os parâmetros requeridos para o dimensionamento opto-geométrico, além de quantificar a energia concentrada. Mostra-se o dimensionamento geométrico da cavidade e o balanço térmico realizado para estudar o receptor tipo DIR e o receptor tipo Heat Pipe. Também se apresenta uma análise feita do regenerador do motor Stirling e de alguns parâmetros do motor, incluem-se alguns parâmetros que foram levados em conta para o deincluem-senvolvimento do modelo, como: material do concentrado, do receptor, metal líquido usado no heat pipe, etc.
Capítulo 4.
Neste capítulo apresentam-se o fluxograma do algoritmo desenvolvido para o modelo matemático, os resultados obtidos e sua discussão. Também se apresenta a metodologia utilizada para validar o modelo do sistema baseado nos dados dos trabalhos e artigos científicos publicados.
Capítulo 5.
Finalmente neste capítulo apresentam-se as conclusões do trabalho, onde se ressaltam os principais aportes, apresentam-se sugestões para trabalhos futuros e as referências bibliográficas da literatura consultada.
CAPITULO 2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Formas de Aproveitamento da Energia Solar
O Sol fornece anualmente para a atmosfera terrestre 1,5 x 1018 kWh de energia. Trata-se de um valor considerável, correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de energia em um ano. Isto indica que além de ser responsável pela manutenção da vida na terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.) (CRESESB, 2011).
Mas também é fato que nem todo este potencial pode ser aproveitado; pelo menos 30% de toda a radiação solar que atinge nossa atmosfera e a superfície do planeta é refletida ao espaço. Outro 47% aproximadamente são absorvidos pela atmosfera e pela superfície do planeta. Assim, de toda a energia que o sol transmite para a terra, apenas 23% é utilizado na geração de eletricidade ou para o aquecimento de água. Finalmente, apenas 0,22%, cerca de 4,0 x 1010 kW, vão penetrar no sistema biológico terrestre, por fotossíntese. Uma pequena parcela da energia armazenada como energia química em plantas e tecidos dos corpos de animais se acumulou durante milhões de anos, sobre condições geológicas favoráveis, na forma de carvão e óleos minerais, convertendo-se em reservas de combustíveis fósseis. A energia solar é inesgotável e gratuita. Entretanto, os equipamentos que permitem seu aproveitamento, principalmente na sua conversão em energia elétrica ainda são caros e inacessíveis para à maioria da população (Rodrigues, 2007). Com o aumento da produção e utilização desses equipamentos, o custo total das instalações tende a diminuir e assim, poderá beneficiar de forma direta um número maior de pessoas. Quanto maior for à utilização da energia elétrica gerada a partir da irradiação solar, maior será a preservação do meio ambiente. As pessoas que utilizam a energia elétrica de origem fotovoltaica estão evitando o consumo de combustíveis fósseis e numa análise mais avançada, estão contribuindo para a diminuição da necessidade de alagamentos provocados por usinas hidroelétricas (Pereira et al, 2003).
Na figura 2,1 descrevem-se algumas aplicações da energia solar, representando-se em duas categorias, de acordo com a forma em que pode se realizar a transformação da energia por cada uma das tecnologias enunciadas na figura.
Figura 2.1.Aplicações da Energia Solar (Velázquez, 2013). 2.1.1 Radiação Solar
Antes de atingir o solo, as características da radiação solar (intensidade, distribuição espectral e angular) são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de absorção e espalhamento. Estas modificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado Massa do Ar (AM), e, do ângulo zenital do sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas. (Cresesb, 2011). A radiação solar é composta de duas componentes: radiação direta e radiação difusa. Para os sistemas Dish Stirling a radiação que realmente interessa é a direta, já que esta representa o maior potencial para a geração de eletricidade. A seguir estas são descritas (Lima, 2003):
Radiação direta é a radiação que atinge a superfície da terra sem mudança de direção, à medida que passa através da atmosfera terrestre.
Radiação difusa é a radiação que atinge a superfície da terra com mudança da direção na passagem pela atmosfera da terra. Isto é devido aos choques produzidos com determinadas moléculas e partículas contidas no ar.
Na Figura 2.2 são mostrados alguns dos fatores que afetam a intensidade da irradiação solar incidentes sobre o solo, o que ajuda a compreender os diferentes parâmetros que se deve estudar quando se trabalha com sistema de concentração e captação solar.
Figura 2.2. Ilustração da atuação da atmosfera sobre os raios solares. Fonte (Stine e Geyer 2001).
A radiação solar em algumas situações não pode ser captada de forma constante e homogênea, principalmente devido ao movimento de rotação da Terra, que proporciona a alternância entre dias e noites. Além disso, as variações climáticas derivadas das estações do ano, os períodos de nebulosidade e os dias chuvosos contribuem com as grandes variações na intensidade da captação. Observa-se que somente a componente direta da radiação solar pode ser submetida a um processo de concentração através da utilização de concentradores solares. Desta forma consegue-se uma redução substancial da superfície absorvedora e um aumento considerável de temperatura (Cruz, 2001).
2.2 Tecnologias de Aproveitamento Térmico
Na atualidade, tem-se como prioridade o desenvolvimento de ferramentas e tecnologias que permitem o aproveitamento das fontes renováveis de energia para a geração de energia elétrica. É por isso que dia a dia procura se aproveitar o recurso inesgotável como é a energia solar. Existem vários tipos de tecnologia para o aproveitamento e conversão da energia solar, a seguir são apresentadas algumas destas.
2.2.1 Tecnologias de Concentração Solar
Os concentradores solares são tecnologias concebidas com a finalidade de concentrar a energia solar visando sua conversão em outra forma de energia útil, para sua imediata utilização ou armazenamento. Há três tecnologias que se destacam pelo alto grau de desenvolvimento: os sistemas de coletores cilíndricos parabólicos, os sistemas de receptor central ou sistema de torre e os discos parabólicos. Os primeiros concentram a irradiação solar em um eixo (foco linear), enquanto que os dois últimos a concentram em um ponto (foco pontual), obtendo com isso maiores relações de concentração. O aproveitamento da energia solar aplicada a sistemas de torre central e discos parabólicos requer altas temperaturas (De Souza, 2008). A seguir são descritas algumas das características das tecnologias de contração solar.
Tabela 2.1. Comparação de tecnologias solares (Mendoza, 2012).
Receptor Central Dish Stirling Cilindro Parabólico
Aplicação Centrais ligadas à re e “Gera ce ra a a” Aplicações autônomas oo pequenos sistemas de geração distribuída
Centrais ligadas a rede “Gera ce ra a a” Situação Experiência operacional dos primeiros protótipos. Experiência operacional dos primeiros protótipos.
Comercialmente disponível mais de 10.000 milhões de kWh de experiência operacional. Custos de investimentos e de operação comercialmente comprovada. Vantagens Alta eficiência e fator de alta capacidade. Operação hibrida possível. Alta eficiência de conversão de energia. Operação hibrida possível (uso de outro tipo de fonte de energia
para complementar a operação do sistema).
Operação híbrida possível (uso de outro tipo de fonte de energia para complementar a
operação do sistema).
Desvantagens Alto investimento Alto investimento
O uso de óleos como meio de transferência de calor, restringem-se as temperaturas de operação (400°C). Grandes áreas de instalação e da agua.
Potência 10-200MW 0,01-0,04 kW 30-320MW Temperatura de operação 565-1000°C 750-900°C 390°C Eficiência máxima do sistema 23% 29-31% 20% Risco
tecnológico Médio Alto Baixo
Os sistemas de torre solar utilizam um campo circular, ou semi-circular, de espelhos de grandes dimensões, que realizam um seguimento individual do Sol a dois eixos, chamados heliostatos, e que concentram a radiação solar num receptor central montado no cimo de uma torre, como se pode verificar na figura 2.3 (Neves, 2011).
Figura 2.3. Sistema de receptor central (Lopez, 2012).
Nos sistemas de cilíndrico parabólico utilizam-se espelhos refletores com uma forma cilindro parabólica para concentrar a radiação solar, num tubo receptor, termicamente eficiente, situado na linha focal da estrutura parabólica, na figura 2.4, se mostra uma configuração de uma planta de geração de eletricidade tipo cilíndrica parabólica (Neves, 2011).
Este tipo de sistema tem um grau de concentração de 70 a 100 vezes, registrando-se, devido a esse facto, temperaturas entre os 350°C e os 550°C no tubo de absorção. No interior desse tubo, circula um fluido de transferência de calor que é aquecido. O fluido de transferência de calor que flui nos tubos de absorção, dos canais parabólicos, depois de ser aquecido, é bombeado para um conjunto de permutadores de calor com o objetivo de produzir vapor sobreaquecido para acionar uma turbina ligada a um gerador, para a produção de energia eléctrica, retornando novamente ao campo solar (Neves, 2011).
2.2.2 Sistema Dish Stirling
O sistema de Dish Stirling consiste de um refletor (ou um conjunto de refletores) em forma de paraboloide, que concentra a irradiação solar num receptor situado no ponto focal, neste componente a irradiação solar é transformada em energia térmica que atinge o motor Stirling, o qual encontra se acoplado a gerador de eletricidade, todo este conjunto conforma um sistema compacto de geração de eletricidade, que geralmente forma um único bloco. Os sistemas Dish Stirling são caracterizados por um elevado desempenho e autonomia. Atualmente encontram se em desenvolvimento, e um bom número de protótipos está em operação em várias partes do mundo. A confiabilidade destes sistemas ainda é insuficiente e apresentam altos custos. Estas duas condições representam os principais obstáculos para sua introdução no mercado de geração elétrica (Alencastri et al, 2011).
Os principais componentes de um Sistema Dish Stirling são: Concentrador.
Receptor.
Sistema de Geração.
Estrutura de apoio e mecanismos de rastreamento solar.
O tamanho do concentrador dependerá tanto da potência nominal e da energia à gerar ao longo de um período de tempo para certas condições de radiação solar e dos rendimentos associados aos elementos do sistema. Os discos parabólicos podem ser construídos com facetas aproximadas à geometria do paraboloide ou com membrana estendida procurando a geometria desejada. A seguir na figura 2.5, apresenta-se a configuração de um sistema Dish
Figura 2.5. Sistemas Dish Stirling (Souza, 2008).
a ra f ram projetados protótipos que funcionam com potências entre 10 kW e 40 kW, os quais encontram-se em centros de pesquisa da Espanha, Alemanha, Estados Unidos, Arábia Saudita, etc. Apesar da incerteza desta tecnologia para grandes plantas, ela tem a seu favor o fato estar construído por componentes modulares, além da vida longa útil dos motores Stirling, que fica em torno de 30.000 horas (De Souza, 2008). Os sistemas de discos parabólicos têm evoluído, tanto na Europa como nos Estados Unidos, estes têm elevada eficiência de conversão da radiação solar em energia elétrica. Além disso, podem alcançar razões de concentração maiores do que 3000 soles, que permite que se atinja uma temperatura entre 650 e 800°C e eficiências nominais picos dos motores Stirling de 40%. Os concentradores podem representar 25% do custo de um sistema Dish Stirling (Alencastri et al., 2011). Um sistema de disco parabólico deve ter uma estrutura de suporte e um mecanismo para o controle do seguimento do sol em dois eixos, a fim de se posicionar em direção à posição do sol em todos os momentos.
Os dois tipos de sistemas de rastreamento solar utilizados nestas tecnologias são: Azimute-elevação: neste tipo de sistema o movimento tem lugar ao longo de dois
eixos, vertical e horizontal.
Rastreador polar: neste o movimento ocorre em um eixo; é muito lento; velocidade constante.
O primeiro tipo de montagem é mais simples do ponto de vista construtivo, enquanto o conjunto polar é mais fácil de controlar. Outro componente de importância para os sistemas
de disco parabólico são os receptores, os que representam a interface entre o concentrador e o motor Stirling (Zabalsa, 2010). Estes têm duas funções principais:
Absorver a radiação solar refletida pelo concentrador.
Transferir a energia absorvida para o fluido de trabalho do motor. 2.2.3 Alguns Sistemas Instalados no Mundo
Apesar desta tecnologia não ser comercial, no mundo têm-se diferentes protótipos. Um consórcio Europeu no qual participa a Inabensa elaborou melhoras com o objetivo de obter menores custos dos sistemas como projetos de desenvolvimento do protótipo Eurodish. Na Figura 2.6 é mostrado um protótipo do campo solar Eurodish, o qual incorpora um motor Stirling da companhia Alemanha Solo, projetado especificamente para aplicações solares. A
Inabensa a resp s e pe a fa r ca e m a em c e se ac p a a m r
Stirling.
Na Figura 2.7 apresenta-se um protótipo desenvolvido em Estados Unidos, por um consórcio no qual participa o Departamento Norte-Americano de Energia (DOE) e a Boeing entre outros, desenvolveram um protótipo Dish Stirling de 25 kW.
Figura 2.6. Protótipo do sistema Dish Stirling do campo Solar Eurodish na Alemanha (De Souza, 2008).
Figura 2.7. Protótipo Dish Stirling nos EUA, (Mancini et al, 2003).
O disco Vanguard Mairage (California) instalado no deserto de Mojave trabalho durante um período de 18 meses (fevereiro 1984-Julho de 1985). Ele tinha um conjunto motor gerador de 25 kW. O gás de trabalho era o hidrogênio e a temperatura de operação do gás de trabalho era de 720°C. Neste sistema se atingiu uma eficiência de conversão da irradiação solar em energia elétrica de 29,4%, (Silva, 2005).
No início de 2006, foram aprovados na Califórnia, os projetos SES I e II da SES Stirling Energy Systems. As duas usinas de 500 MW (SES I) e 300 MW (SES II), expansíveis a 800 e 600 MW, respectivamente. SES I e II, os quais vão ocupar 1821 hectares, com discos parabólicosde 11m de diâmetro, (Bolufe, 2007).
Na Figura 2.8, mostram-se dois protótipos de sistemas Dish Stirling de 50 kW instalados na Arábia Saudita.
Em 1984 foram construídos, instalados e colocados em operação dois sistemas de 50 kW em Riade (Arábia Saudita). Em meados dos anos 80, um sistema Dish Stirling, com a mesma tecnologia, mas com algumas melhorias, foi desenvolvido pela McDonnell Douglas Aerospace Corporation. Este novo protótipo tem acumulado mais de 8000 horas de operação (Silva, 2005).
Na Austrália, em 1978, o Centro de Pesquisa de Energia (CEI), da Universidade de Canberra construiu em White Cliffs uma das primeiras usinas de energia no mundo, composto por 14 discos parabólicos de 20 m2, esta trabalhou por vários anos.
2.3 Motores Stirling
O princípio de operação dos motores Stirling está baseado na compressão e expansão de um gás de trabalho. Entre os ciclos térmicos existentes, os mais adequados para esta aplicação são o ciclo Stirling e o ciclo Brayton. Usar ciclos convencionais como são o ciclo Otto e o ciclo Diesel não é possível, devido à grande dificuldade da utilização da energia solar concentrada. Os motores baseados no ciclo Stirling, operam à alta temperatura, alta pressão e são classificados como motores de combustão externa, que utilizam como fluido de trabalho hidrogênio, hélio, ar e nitrogênio. Nos motores Stirling de alto desempenho o gás de trabalho tem uma temperatura superior à 700º C e uma pressão inferior à 20 MPa, o que representa um problema uma vez que o hidrogênio e o hélio são difíceis de conter. Com a ajuda de trocadores de calor são realizados dois processos isotérmicos, entre estes trocadores é incorporado um mecanismo de recuperação de calor ou regenerador, graças a este, a eficiência térmica do ciclo se torna maior do que outros ciclos de motores convencionais. O funcionamento normal dos trocadores de calor quente e frio garante a conversão de energia térmica em potencia mecânica. Além disso, a quantidade de calor requerida pelo motor a cada ciclo se torna menor se o regenerador trabalhar com poucas perdas, (Kagawa et al., 2007).
Entre os componentes do ciclo Stirling podem-se incluir:
Trocador de calor frio: Este elemento é responsável pela dissipação de calor residual do motor. Tipicamente é parecido ao radiador de um veículo com um ventilador. O absorvedor: Este dispositivo é responsável do aquecimento do gás de trabalho do
motor Stirling. Este normalmente é otimizado para receber calor a partir da combustão de substâncias com baixo poder calorífico.
Regenerador: É o responsável pela recuperação da energia entre duas fases do ciclo, absorve a energia no processo de resfriamento e a libera no processo de aquecimento. Assim, as vantagens dos motores Stirling são:
Eficiência elevada comparada com outros ciclos termodinâmicos que operam na mesma faixa de temperaturas.
Comparado com um motor Otto ou um motor Diesel, motores de combustão interna, o motor Stirling depende do fornecimento de calor externo, sem preferência de como o calor é gerado. Assim, o motor Stirling é o candidato ideal para converter energia térmica em energia mecânica (Bergermann e Partner, 2001).
Como não há combustão interna, este motor não produz quase nenhum ruído (Zabalza, 2010).
O potencial do ciclo de vida de um motor Stirling é elevada (Bergermann e Partner, 2001).
Devido à flexibilidade da fonte de calor, um motor Stirling pode também operar de forma híbrida. Assim, o sistema está disponível em condições de tempo nublado e durante o período noturno (Bergermann e Partner, 2001).
Elevada confiabilidade (Stine, 1994). As suas desvantagens incluem:
Resposta lenta para o aumento de carga.
p e s a a c merc a a ma ec a em r r a, apresenta alto custo de fabricação, (Fraser, 2008).
Devido às altas pressões que se trabalham neste tipo de motores este devem possuir um ótimo sistema de selado, (Organ, 2001).
2.3.1 Tipos de motores Stirling
Os motores Stirling são divididos em geral em dois grupos: com dois pistões (Alfa e Siemens), e os de deslocamento (Beta, Gama e de pistão livre).
Em motores Stirling do tipo deslocamento, o fluido de trabalho é movimentado do espaço de alta para o de baixa temperatura pelo deslocador (displacer), enquanto o pistão de trabalho faz a compressão e a expansão do gás. Existem dois tipos de motores Stirling de
deslocamento, sendo eles: motor Stirling tipo Beta, e motor Stirling tipo Gama (Martini, 1983).
2.3.1.1 Motor tipo alfa
Este tipo de motor tem dois pistões, um de compressão e um de expansão defasados 90º. Os dois pistões em conjunto comprimem o fluido de trabalho no espaço frio, movimentando o fluido para o espaço quente onde é expandido e depois volta para a parte fria. Embora possua a configuração mais simples, o motor Alfa apresenta a desvantagem de vedação para conter o gás de trabalho. Esses motores podem ser construídos em configurações compactas, com múltiplos cilindros e altas potências de saída, necessárias nas aplicações automotivas (Martini, 1983). Na figura 2.9, apresentasse a configuração deste tipo de motor.
2.3.1.2 Motor tipo beta
Nos motores tipo beta o fluido de trabalho é movimentado do espaço de alta para o de baixa temperatura pelo deslocador, enquanto o pistão de trabalho faz a compressão e a expansão do gás (Martini, 1983). Na configuração Beta, o deslocador e o pistão de trabalho estão alinhados em um único cilindro, pela sobreposição entre cada movimento dos pistões, a taxa de compressão destes motores é maior a dos motores tipo Gama. Os motores pequenos não costumam possuir regenerador, e existe uma folga de alguns décimos de milímetro entre o expansor e o cilindro para permitir a passagem do gás (Hirata, 1995). Na figura 2.10, apresentasse a configuração deste tipo de motor.
2.3.1.3 Motor tipo gama
O motor Gama tem um deslocador similar ao do motor Beta, porém este é montado em outro cilindro, sendo mais fácil de construir. Esta configuração tem o conveniente de separar a parte quente do trocador de calor que é associada ao pistão de deslocamento, do espaço de compressão associado ao pistão de trabalho (Mello, 2001). Comparado com o motor tipo Beta, seu mecanismo é mais simples, e o ajuste da taxa de compressão e o incremento da área de transferência de calor, são relativamente fáceis de obter (Hirata, 2001). Apresenta, entretanto, volumes mortos maiores, além do fato que parte do processo de expansão ocorre no espaço de compressão, causando redução na potência de saída (Mello, 2001). Na figura 2.11, apresentasse a configuração deste tipo de motor.
Figura 2.10. Motor Stirling tipo beta (Barros, 2005).
2.4 Receptores do Sistema Dish Stirling
O receptor é o elemento que realiza a ligação térmica entre concentrador e o motor Stirling. Este componente é projetado para maximizar a quantidade de calor transferido ao motor Stirling e minimizar as perdas térmicas. Para este sistema são utilizados receptores tipo DIR (receptor de tubos diretamente iluminados) é receptores de refluxo (heat pipe), a seguir estes são descritos (Mendoza, 2012).
2.4.1 Receptores de Tubos Diretamente Iluminado (DIR).
Permitem uma adaptação direta do receptor ao motor Stirling. Este tipo de receptor está formado por um feixe de tubos através dos quais circula o fluido de trabalho do motor. A irradiação atinge diretamente a superfície da tubulação, sendo transformada em energia térmica que é transmitida para o fluido de trabalho. Uma desvantagem deste sistema é a falta de uniformidade no fluxo de irradiação incidente sobre o absorvedor, o que resulta em picos de temperatura sobre os tubos, limitando assim a temperatura máxima do fluido de trabalho a 900°C (Zabalsa, 2010). O receptor tipo DIR é usado em alguns sistemas porque ele permite uma separação das diferentes superfícies de transferência de calor, tendo-se mais liberdade na concepção de todos os componentes de acordo com suas necessidades específicas. Além de tolerar mais facilmente os fluxos de calor não uniformes (Laing et al, 1999). Na Figura 2.12, mostra-se um receptor tipo DIR utilizado em um sistema Dish Stirling.
2.4.2 Receptores Tipos de Refluxo
Estes empregam um fluido intermédio de trabalho, que permite a transferência de calor, estes tipos de receptores usam um metal líquido (geralmente sódio), o qual se evapora sobre a superfície do absorvedor e condensa sobre os tubos, pelos quais circula o fluido de trabalho do motor Stirling. Os receptores tipos refluxo podem ser classificados em Pool
Boiler e Heat Pipe. No caso do presente trabalho vai-se centrar a atenção nos receptores heat pipe, os quais serão descritos mais para frente. A seguir na figura 2.13, mostra-se este tipo de
receptor.
Figura 2.5. Motor Stirling na configuração pistão livre com receptor tipo heat pipe (Bergamasco, 2007).
Na atualidade alguns sistemas utilizam receptor tipo refluxo, os quais presumem as seguintes vantagens:
A elevada capacidade de transmissão de calor dos metais líquidos (até 800 W/cm2
), o que permite desenvolver receptores menores, (Zabalsa, 2010).
A condensação do metal líquido permite atingir um aquecimento mais uniforme do fluido de trabalho do motor, e dessa maneira trabalhar com temperaturas máximas do fluido de trabalho mais próximas da temperatura máxima que o material do receptor pode suportar (Zabalsa, 2010).
O receptor de refluxo apresenta menor número de ciclos térmicos durante dias nublados que os receptores tipo DIR. Além de uma menor variação na potência de saída (Stine, 1994).
Apresentam operação quase isotérmica, mesmo com uma distribuição do fluxo solar não uniforme. Além disso, o receptor de refluxo permite um projeto independente e a otimização do receptor e dos tubos do trocador de calor do motor (Andraka, 1994). O receptor de refluxo tem o potencial para ser facilmente hibridizado, em parte por
causa da flexibilidade para localizar o queimador de combustível fóssil (Andraka, 1994). Atualmente está sendo desenvolvido um receptor para permitir uma operação híbrida solar/gás natural (Companhia de Tecnologia Stirling, EUA). Estes receptores podem receber de forma simultânea o calor da energia solar e o calor da combustão de gás natural. A hibridação do sistema Dish Stirling é um pouco mais difícil, embora o motor Stirling seja compatível com um grande número de fontes de calor. Na figura 2.14, mostram-se os diferentes componentes do heat pipe híbrido, toda a cavidade serve como superfície de absorção, enquanto que a superfície exterior serve como superfície de transferência para o fluxo de calor gerado pela combustão do gás natural, este receptor está equipado com um número elevado de aletas (Laing and Reusch. 1999).
Figura 2.6. Representação esquemática do receptor heat pipe híbrido (Laing et al. 1999). O principal problema de receptor heat pipe é a corrosão, em sistemas que utilizam sódio líquido, como causas principais, têm-se as seguintes (Zabalsa, 2010):
Elementos de metal transferido para a solução líquida de sódio.
Ligas não-metálicas ou componentes metálicos, que mantiveram o oxigênio em sua estrutura.
Em sistema não isolados de forma correta, tem-se a possibilidade de entrada de oxigênio no sistema. O oxigênio aumenta a solubilidade do sódio, acelerando os efeitos da corrosão (Andraka, 1994).
Em ligas de ferro ou níquel o oxigênio faz com que o sódio comece a corrosão, resultando em dois efeitos indesejáveis, erosão de materiais até alcançar a falha crítica na operação e aparecimento de camadas de óxidos que pioram as propriedades térmicas dos materiais, fazendo a transferência de calor diminuir e reduzindo assim a eficiência do sistema. Os sistemas de limpeza atualmente não são muito eficientes e estes destinam-se a reduzir a quantidade de oxigênio no sistema, mas a eficiência de tais sistemas não é muito elevada (Andraka, 1994).
2.4.2.1 Receptor tipo heat pipe
Tem a vantagem de menor massa térmica, uma resposta mais rápida aos transientes e menores perdas térmicas. Além disso, é possível utilizar estes receptores para os sistemas com sistema de rastreamento azimute-elevação e polar. O receptor heat pipe tem um conjunto mais desenvolvido de ferramentas para sua fabricação, mas este requer uma estrutura porosa complexa para as quais as ferramentas de concepção não estão ainda provadas (Andraka, 1993). Apesar das vantagens potenciais, os requisitos do sistema para o desenvolvimento do receptor é um desafio. A seleção do material de construção do heat pipe depende de vários fatores. Estes são os seguintes (Reay, 2006):
Relação força peso. Condutividade térmica.
Facilidade de fabricação, incluindo a soldabilidade, usinabilidade e ductilidade. Porosidade.
Compatibilidade (com fluido de trabalho e com o ambiente externo).
Os dois principais resultados da incompatibilidade são a corrosão e à geração de gases não condensáveis. Se o material da parede ou meio poroso é solúvel no fluido de trabalho, é provável que ocorra transferência de massa entre o condensador e o evaporador, depositando-se material sólido no evaporador, apresentando pontos quentes locais ou bloqueio dos poros. A geração de gás não condensável é, provavelmente, a indicação mais comum de falha no heat pipe, estes gases tendem a acumular-se na secção do condensador, bloqueando gradualmente o retorno do fluido ao evaporador do receptor, isto pode identificar
com a queda acentuada de temperatura na interface gás / vapor. Os testes de durabilidade são geralmente considerados como a principal ferramenta para a identificação de eventuais incompatibilidades que podem ocorrer entre o fluido de trabalho, o meio poroso e os materiais da parede do receptor. O teste de durabilidade poderia ser um teste de desempenho ao longo prazo sobre as condições de operação do sistema. Na tabela 2.2 apresenta se alguns dados registrados (Reay, 2006):
Tabela 2.2.Dados de Compatibilidade para diferentes materiais do heat pipe (Reay, 2006).
Na tabela 2.2 foram definidos alguns parâmetros importantes para a escolha do fluido de trabalho, baseados em diferentes pesquisas. Na tabela 2,3 serão apresentadas algumas recomendações sobre a incompatibilidade entre alguns fluidos de trabalhos e alguns matérias do heat pipe.
Material do Heat Pipe
Ti Nb + 1% Zr Ni Ni Fluido de Trabalho Nb + 1% Zr Nb + 1% Zr Nb + 1% Zr Ta Nb + 1% Zr 304, 347 ss Ni 304, 347 ss Hastelloy X Hastelloy X 316 ss Nb + 1% Zr
Temperatura do Vapor (°C) Duração (h)
> 2000 8700 > 6000 16000 W Ta Ta W W Re W SGS-Ta TMZ W+ 26% Re Nb + 1% Zr SGS-Ta Ta W 4300 > 1000 132 17 1000 7100 24500 6100 > 8000 > 33000 > 4000 > 10000 400 1000 600 600 600 510, 650 1000 > 280 1000 335 1000 300 1000 1000 9000 7700 19 1000 39 118 1600 1600 1600 1600 715 715 771 850 1100 650-800 Césio potássio Sódio Bismuto Lítio Chumbo Prata 1900 1900 1900 2000 1500 830-1000 1600 1600 1600 1600 1100 1500 1600 1600
Tabela 2.3.Recomendações de compatibilidade de alguns materiais e fluidos (Reay, 2006).
Da tabela 2.3, tem-se algumas observações sobre certos materiais utilizados para a fabricação do heat pipe em cada caso, como são:
O aço inoxidável 347 e 348 não contem Talatum. (1)
a utilização de acetona com alumínio e de aço inoxidável apresento problemas para alguns autores, mas outros tiveram bons resultados com estes materiais. O problema pode ser o uso de temperaturas não adequadas para o fluido do heat pipe. (2), se recomenda utilizar este fluido com precaução.
(3), esta combinação deve ser usada apenas quando alguns gases não condensáveis no heat pipe são toleráveis, particularmente a temperaturas mais elevadas.
Em geral, os heat pipe podem ser classificados em quatro categorias, dependendo de sua faixa de operação, (Engelhardt, 2010): heat pipe criogénicos; heat pipe de baixa temperatura, heat pipe de média temperatura e heat pipe de alta temperatura. Faghri (1995)
Fluido de Trabalho Material Recomendado Material não recomendado
Alumínio Aço carbono Níquel Aço inoxidável Cobre Sílica Alumínio1 Aço inoxidável1 Cobre Aço inoxidável Sílica Cobre Monel
347 Aço inoxidavel2 Aço inoxidavel Silica Inconel Níquel Aço carbono Cobre Silica Aço Inoxidavel 3
Aço Inoxidavel Titânio Inconel
Aço Inoxidavel Titânio Inconel Agua Dowtherm A Potássio Sódio Amônia Cobre Acetona Metanol Alumínio
forneceu as informações mais detalhadas sobre estes sistemas e promove o uso das quatro categorias listadas:
Heat pipe criogênico, com faixa de temperatura operacional entre -275°C até -75°C. Estes usam o hélio, argônio, oxigênio e crípton como fluido de trabalho e é capaz de transportar pequenas quantidades de calor devido ao pequeno calor de vaporização que estes possuem.
Heat pipe de baixa temperatura, com faixa de temperatura entre -75°C até 275°C são utilizados em sistemas de refrigeração eletrônica e é a categoria onde geralmente os
heat pipe falham. Esta categoria abriga os fluidos de trabalho mais comuns, como a
água, amônia, acetona, os fréons, juntamente com etanol e metanol. Mais recentemente, pesquisas têm sido realizadas, nas quais mistura-se o água com etanol ou metanol, a fim de aumentar as propriedades de transporte de calor do álcool, sem a possibilidade de separar a combinação por destilação. Estas misturas são chamadas misturas azeotrópicas e são voltadas para aplicações onde é predominante o congelamento do fluido de trabalho, tendo como restrições para ditas aplicações o desempenho térmico e o peso, são utilizados em sistemas como os satélites, (Savino, Abe e Fortezza, 2008; Savino et al., 2009 and di Francescantonio).
Heat pipe de temperatura media, com uma faixa operacional entre 275 ° C e 475 ° C. Estes são os receptores de metal líquido, utilizam mercúrio e enxofre como fluidos de trabalho. O mercúrio é um fluido de trabalho atraente, devido à sua elevada condutividade térmica, mas raramente é utilizada em aplicações devido a problemas de umidificação no meio poroso, além do fato de que é um metal pesado tóxico. Heat pipes de alta temperatura, esta categoria conta como fluido de trabalho os
metais líquidos com faixa operacional entre 475 ° C e 2725 ° C. Como são o sódio, lítio, prata e potássio, estes oferecem, portanto, taxas de transporte de calor muito mais altas do que os heat pipes das outras faixas de temperatura.
Tradicionalmente, há limites térmicos que definem a região de operação do receptor heat pipe, a seguir estes são definidos (Adkins, 1999):
Limite de bombeamento capilar onde as forças gravitacionais e de atrito não devem exceder a capacidade dos poros para distribuir o fluido de líquido de trabalho por forças capilares.
Limite de ebulição em que as condições de sobreaquecimento geram bolhas de vapor no poro impedindo o fluxo do vapor.
Limite de arrastamento em que o líquido é suspenso por um fluxo de vapor, impedindo o retorno do liquido ao evaporador.
Limite de velocidade o limite sônico em que o atrito faz com que a pressão do vapor tenha uma grande caída nas condutas entre o evaporador e o condensador.
Limites para operação à baixa temperatura, a pressão de vapor é baixa e este não é capaz de transportar energia de forma efetiva.
Acima de 450°C, a pressão do vapor aumenta suficientemente para que o limite c c mpe a ra sp r e e ca r a par r a s perf c e “ empera ras e funcionamento, entre 400 °C e 600 °C, a densidade de vapor é ainda relativamente baixa, de modo que as velocidades do vapor nos dutos que ligam o evaporador com a re c e sa r p e ser m e e a ” Ve c a es e e a as causam grandes quedas de pressão de vapor dentro das condutas provocando uma queda na temperatura do vapor.
2.4.2.2 Fluido de Trabalho para o heat pipe
A primeira consideração na identificação do fluido de trabalho apropriado é a identificação da faixa de temperatura de operação no estado de vapor de cada fluido. Dentro da faixa de temperatura podem existir vários fluidos de trabalho possíveis, portanto outras características devem ser examinadas, a fim de determinar o mais aceitável destes fluidos. Os requisitos principais são os seguintes (Reay, 2006):
Compatibilidade com meio poroso e o material da parede. Boa estabilidade térmica.
Pressões de vapor não muito altas para baixas temperaturas de operação. Alto calor latente.
Alta condutividade térmica.
Baixa viscosidade do fluido no estado liquido e vapor. Alta tensão superficial.
Na Figura 2.15, Apresenta-se a faixa de temperatura de operação para diferentes fluidos de trabalhos utilizados nos heat pipe.
