Dissertação (mestrado)Neste trabalho é realizado um estudo numérico sobre o princípio de funcionamento de
uma Usina de chaminé solar (UDCS) e a influência de alguns parâmetros geométricos
na potência da UDCS empregando o método Design Construtal. Os principais objetivos
aqui são avaliar a aplicabilidade do modelo numérico estudado e avaliação geométrica
do efeito dos graus de liberdade H1/H (onde H1 e H são as alturas da saída e entrada do
coletor), R/H (onde R é o raio do coletor) e R1/H2 (onde R1 é o raio de saída da chaminé
e H2 a altura da chaminé) sobre a potência do dispositivo. Para isso é considerado um
escoamento incompressível, turbulento, permanente com transferência de calor por
convecção mista em um domínio bidimensional, axissimétrico, similar ao encontrado
em uma chaminé solar. As equações de conservação de massa, quantidade de
movimento, energia e a equação de estado dos gases ideais são resolvidas
numericamente com o uso do método de volumes finitos. Para a abordagem da
turbulência é empregada à modelagem clássica da turbulência (RANS) com modelo
padrão k – ε. Os demais parâmetros geométricos, como os raios da entrada e saída da
secção onde a turbina está localizada (R2 e R3, respectivamente) foram mantidas
constantes. Os resultados de verificação mostraram uma boa concordância com os
apresentados na literatura, mesmo empregando um domínio simplificado. Também foi
observado que o grau de liberdade R/H apresentou grande influência na potência. Por
exemplo, para R/H = 10 e R/H = 1000 (para o mesmo R1/H2 = 0.04 e H1/H = 10) a
diferença obtida entre a potência superou 520.0 %. A razão R1/H2 também apresentou
grande sensibilidade sobre a potência. O método Design Construtal conduziu a obtenção
de resultados com uma diferença na potência de aproximadamente 47 vezes entre a
melhor (R1/H2=0.04 e R/H=1000) e pior geometria (R1/H2=0.4 e R/H=10). Também foi
observado que a potência depende de R/H e R1/H2 para que o sistema tenha capacidade
de produzir a diferença de potencial térmico na região do coletor e força motriz
suficiente para movimentar a massa de fluido quente dessa região em direção a saída da
chaminé. Além disso, as geometrias ótimas foram obtidas para razões R1/H2
intermediárias e para as maiores razões de R/H. Contudo, os extremos inferior e
superior de R1/H2 conduzem a razões ótimas de (R/H)o também pequenas, mostrando a
influência de cada razão geométrica.In the presented work, it is made a numerical study about the main operational principle
of a Solar Chimney Power Plant (SCPP) and the influence of some geometric
parameters on the available power of SCPP employing the constructal design method.
The main objectives are to test the applicability of the studied numerical model in future
studies of SCPP geometric optimization and evaluate the effect of the degrees of
freedom H1/H (H1 and H are the heights of collector and entrance of collector), R/H (R
is the collector radius) and R1/H2 (R1 is the chimney radius and H2 is the chimney
height) over the power of the device. For that it is considered an incompressible,
turbulent, steady flow with mixed convective heat transfer in a two-dimensional and
axisymmetric domain, similar to the one found in a solar chimney. The equations of
mass conservation, momentum and energy and the state equation for ideal gases are
numerically solved using the finite volume method. The Reynolds Averaged Navier
Stokes (RANS) turbulence approach with standard model k – ε was used. The other
geometric parameters, as the input radius and outlet of the turbine section, R2 and R3, are
considered constant. Verification results showed good agreement with those presented
in literature, even for a simplified domain. It is also noticed that the degree of freedom
R/H had significant influence over the power. For instance, for R/H = 10 and R/H =
1000 (for the same R1/H2 = 0.04 and H1/H = 10) the difference between the achieved
power exceeded 520 %. The ratio R1/H2 also presented large sensibility over the power.
The Constructal Design led to an improvement of achieved power, with a difference of
47 times between the best (R1/H2 = 0.04 and R/H = 1000) and the worst (R1/H2 = 0.4
and R/H = 10) geometries. It is also noticed that the power depends on R/H and R1/H2 in
such way that the system have capacity to produce the thermal potential in the collector
region and driven force enough to flow the air from the hot region towards the chimney
outlet. Moreover, optimal shapes were obtained for intermediate ratios of R1/H2 and for
the highest ratios of R/H. However, the lowest and highest extremes of R1/H2 led to
lower magnitudes of optimal ratios of (R/H)o, showing the influence of one geometric
ratio over the geometric pattern of studied device
