NUMERICAL STUDY OF TWO VERTICAL AXIS WIND TURBINES DARRIEU TYPE LINED UP IN FUNCTION OF POWER COEFFICIENT1

In this work is performed a numerical study of the main operational principle of a VAWT (Vertical Axis Wind turbine) and the influence of the distance between two aligned turbines over their power coefficient. The main aims here are to evaluate the applicability of the numerical model studied here in further optimization studies of VAWT and evaluate the effect of the distance between turbines (d) on the device power coefficient. To achieve these goals, it is considered an incompressible, transient and turbulent flow on a two dimensional domain with two fluid zones, one being rotational representing the rotation of the blades. The time-averaged mass conservation equations and momentum are numerically solved using the finite volume method, more precisely with the software FLUENTÒ. For the approach of turbulence is used to classical modeling of turbulence (RANS) with standard model k - ε. Other geometric parameters: turbine radius (R), the airfoil profile (NACA0018) and chorus were held constant. The verification results showed a good agreement with those presented in the literature, even employing a simplified domain. It was also observed that the distance (d) directly affects the power of the second turbine. For the best case, with d =10m, the downstream turbine showed an approximate 50% drop in power coefficient in comparison with that obtained for the upstream turbine. While in the worst case, with d =2m, the power coefficient for the downstream turbine decreased two hundred times in comparison with that achieved for the upstream one. It was also noted that there is a great possibility of disposal area optimization of turbines in future studies. Keywords: Vertical Axis Wind turbine, Numerical study, Power coefficient, turbine distance

Constructal design applied to the optimization of heat transfer in a solid conducting wall

The present paper applies Constructal Design to optimize the geometry of a Yshaped negative fin that intrudes a solid conducting wall with heat generation. The main goal is the minimization of the thermal global resistance between the solid wall and the negative fin, which removes energy from the wall. The optimization is achieved by varying the angle between the tributary branch of the Y-Shaped fin and the horizontal axis, as well as, by varying the ratio between the volume of the fin and the rectangular volume that circumscribes it (ψ), while the other geometric parameters are maintained fixed. Constructal Design led to a best configuration, with a thermal global resistance of 53%, 49% and 48% for ψ = 0.3, ψ = 0.4 and ψ = 0.5, respectively, smaller than the ones for the worst configuration

Estudo numérico de uma aleta elíptica inserida em uma cavidade quadrada com a superfície superior deslizante submetida à convecção mista

This paper aims to evaluate the heat transfer in a square cavity with an elliptical fin located in different positions on the cavity bottom and with different aspect ratios. The optimal geometry was analised using the Constructal Design principle. A two-dimensional, laminar, steady state and incompressible flow was considered. The thermophysics properties were defined for Pr = 0.71 and they are considered constant, except for the specific mass that was determined by the Boussinesq approximation. A Rayleigh number (RaH) of 104 was adopted to define the natural convection, while a Reynolds number (ReH) of 102 was adopted to define the forced convection. The fin position and its dimensions were varied, keeping the ratio of the fin area to cavity area constant (Φ = 0.05). The optimal geometry that maximizes the heat transfer rate was obtained through the Constructal Law. A mesh was created to solve the problem and it was adequately refined to ensure the accuracy of the results. The governing equations of the problem were solved numerically using the software ANSYS/Fluent®. This study shows that the position of the fin which maximizes the average Nusselt number in these conditions is at the point X1 ≈ 0.3 of the lower surface. For the aspect ratio (r) of the fin, it was observed that the minimization of the average Nusselt number occurs for r between 15 and 25. Considering all studied geometries, the optimized one can reach a performance around 50% superior if compared with the worst one, proving the importance of geometric evaluation in this kind of engineering problem, as well as the effectiveness of the Constructal approach.Este trabalho pretende avaliar a transferência de calor em uma cavidade quadrada com uma aleta elíptica localizada em diferentes posições no fundo da cavidade e com diferentes razões de aspecto. A geometria ideal foi analisada usando o princípio do Design Constructal. Foi considerado um escoamento bidimensional, laminar, estacionário e incompressível. As propriedades termo físicas foram definidas para Pr = 0.71 e são consideradas constantes, exceto para a massa específica que foi determinada pela aproximação de Boussinesq. Um número Rayleigh (RaH) de 104 foi adotado para definir a convecção natural, enquanto um número de Reynolds (ReH) de 102 foi adotado para definir a convecção forçada. A posição da aleta e suas dimensões foram variadas, mantendo constante a relação entre a área da aleta e a área da cavidade (Φ = 0,05). A geometria ideal que maximiza a taxa de transferência de calor foi obtida através da Lei Construtal. Uma malha foi criada para resolver o problema e foi adequadamente refinada para garantir a precisão dos resultados. As equações governantes do problema foram resolvidas numericamente usando o software ANSYS / Fluent®. Este estudo mostra que a posição da aleta que maximiza o número de Nusselt médio, nessas condições, está no ponto X1 ≈ 0,3 da superfície inferior. Para a razão de aspecto (r) da aleta, observou-se que a minimização do número médio de Nusselt médio ocorre para r entre 15 e 25. Considerando todas as geometrias estudadas, a otimizada pode atingir um desempenho em torno de 50% superior se comparado com o pior caso, comprovando a importância da avaliação geométrica neste tipo de problema de engenhaaria, bem como a eficácia da abordagem Construtal

Implementation of a Floating Head Pressure Condensation Control to Reduce Electrical Energy Consumption in an Industrial Refrigeration System

The growing global demand for energy and the costly taxes on electric energy demonstrate the importance of seeking new techniques to improve energy efficiency in industrial facilities. Refrigeration units demand a large amount of electricity due to the high power needs of the components of the system. One strategy to reduce the electric energy consumption in these facilities is pressure condensation control. The objective here was to develop a logical control model where the physical quantities in the thermodynamic process can be monitored and used to determine the optimum point of the condensation pressure and the mass flow rate of the air in the evaporative condenser. The algorithm developed was validated through experiments and was posteriorly implemented in an ammonia industrial system of refrigeration over a period of sixteen months (480 days). The results showed that the operation of the evaporative condenser with a controlled air mass flow rate by logical modeling achieved a reduction of 7.5% in the consumption of electric energy, leading to a significant reduction in the operational cost of the refrigeration plant

ESTUDO NUMÉRICO DO EFEITO DA VARIAÇÃO CONJUNTA DO COMPRIMENTO E DA ALTURA RELATIVA DE UM CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS TIPO PLACA HORIZONTAL SUBMERSA

Os oceanos concentram uma grande quantidade de energia, disponível, principalmente, nas ondas do mar, fazendo desse recurso uma importante alternativa como fonte de energia limpa e renovável. O sistema de placa horizontal submersa é um tipo de estrutura utilizada como quebra-mar e pode ser utilizado, também, como conversor de energia das ondas. O objetivo deste estudo é analisar numericamente o efeito da variação conjunta do comprimento e da altura relativa de um conversor tipo placa horizontal submersa sobre a sua eficiência de conversão, bem como sobre o comportamento do escoamento que ocorre abaixo da placa e, assim, obter dados para recomendações teóricas sobre a geometria do conversor. Para tanto, foi simulada uma onda com período de 3,00 s incidindo numa placa submersa com quatro diferentes comprimentos e disposta em alturas relativas de 88,3, 83,3 e 76,7 %. A eficiência de conversão do dispositivo foi avaliada sem considerar a presença da turbina abaixo da placa. Nas simulações numéricas, foi utilizado um domínio bidimensional e a interação entre água e ar foi tratada com o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF). O Método de Volumes Finitos foi empregado para a solução das equações de conservação de massa e quantidade de movimento. A análise dos resultados permitiu identificar que a configuração da placa com menor comprimento e maior altura relativa pode levar a uma eficiência do equipamento aproximadamente três vezes maior que a configuração com maior comprimento e menor altura relativa, chegando a aproximadamente 42 %, entre os casos estudados. Palavras-chave: conversor de energia das ondas, método de volumes finitos, placa horizontal submers

Constructal design de caminhos condutivos não uniformes em forma de “T” para a refrigeração de corpos geradores de calor

Este estudo numérico utiliza o método Constructal Design para reduzir os pontos quentes de um sistema com geração de calor uniforme por unidade de volume através da transferência de calor por condução. A ideia é facilitar o acesso do fluxo de calor através de uma via em forma de “T” empregando condutividades térmicas não uniformes para a base e topo do T. A função objetivo consiste em minimizar o excesso de temperatura máxima adimensional de todo o sistema (materiais de alta e de baixa condutividade térmica). A configuração do sistema pode variar sujeita à duas restrições: o volume total e o volume das vias de alta condutividade. Materiais de várias condutividades e frações de áreas são estudados. Os resultados mostram a aplicabilidade do Constructal Design para a melhoria do desempenho térmico do sistema. Para o valor de condutividade térmica elevada a melhor geometria tende para uma forma de I (isto é, a parte superior, tende a diminuir, tornando-se semelhante à base). A otimização de um grau de liberdade reduziu em 18% o excesso de temperatura da melhor configuração quando ela é comparada com a pior configuração

Numerical study of reservoir cooling by means of Peltier effect

The present work studies numerically and experimentally the water cooling process by means of natural convection inside a closed reservoir. The cooling process is performed by Peltier or Thermoelectric effect. The purpose here is to obtain the thermal gradient inside the reservoir and to search for the best point where the coldest water can be extracted from the reservoir, which can be considered a geometric optimization of the device thermal design. The analyzed flow is incompressible, laminar, transient and three-dimensional. The Boussinesq approximation is employed for the treatment of buoyancy forces. For the numerical approach of the flow, the mass, momentum and energy conservation equations are solved by a commercial package based on the finite volume method (FLUENT®). The temperature field as function of time obtained by numerical simulations is confronted with the experimental data. The numerical results estimated satisfactorily the transient thermal behavior predicted by laboratory experiments

MODELAGEM COMPUTACIONAL DO CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS TIPO PLACA HORIZONTAL SUBMERSA EM ESCALA REAL E ANÁLISE DE SIMILARIDADE COM MODELO EM ESCALA DE LABORATÓRIO

A grande concentração de energia disponível nas ondas do mar faz desse recurso uma importante alternativa como fonte de energia renovável. O sistema de placa horizontal submersa é uma estrutura utilizada como quebra-mar, mas pode ser utilizado, também, como conversor de energia das ondas. O objetivo deste estudo é simular, numericamente, o conversor tipo placa horizontal submersa em escala real e analisar a similaridade dos resultados com relação a resultados precedentes de um modelo em escala de laboratório, de forma a possibilitar recomendações teóricas sobre a geometria do conversor. Para isso, as dimensões do modelo foram definidas por um fator de escala segundo o critério de similaridade de Froude. Foi simulada uma onda de período 6,00 s incidindo numa placa submersa disposta em diferentes alturas relativas entre 76,7 e 88,3 %. Os dados de eficiência do dispositivo foram avaliados sem considerar a presença da turbina abaixo da placa. Nas simulações numéricas, foi utilizado um domínio bidimensional e a interação entre água e ar foi tratada com o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF). O Método de Volumes Finitos foi empregado para a solução das equações de conservação de massa e quantidade de movimento. A análise dos resultados permitiu identificar que a configuração da placa com maior altura relativa pode levar a uma eficiência do equipamento de aproximadamente 18 %. Além disso, a comparação entre os resultados das duas escalas mostrou-se concordante, de modo que diferença média entre as eficiências obtidas foi de 2 %, considerando os casos estudados. Palavras-chave: energia das ondas, método de volumes finitos, placa horizontal submers