Simulação em estudo de otimização de aquecedores solares
Nas últimas três décadas, a demanda de energia aumentou substancialmente devido ao crescimento populacional, à modernização de processos industriais e à urbanização mundial. O uso de energia convencional, como combustíveis, tem acarretado danos ambientais preocupantes para o planeta. A fim de mitigar esses impactos, fontes de energia renováveis, como a solar, tornaram-se importantes tópicos de pesquisa, como essa apresentada a seguir, desenvolvida por pesquisadores da Universidade Federal do ABC, em Santo André, São Paulo.
O estudo “Análise de sensibilidade paramétrica e otimização de um aquecedor solar de ar com várias linhas de geradores longitudinais de vórtice” foi realizado pelo Prof. Daniel Dezan, em parceria com os engenheiros André Rocha e Wallace Ferreira, com o intuito de aumentar a transferência de calor em um coletor solar para aquecimento de ar.
Para realização da pesquisa, os engenheiros utilizaram o Ansys Fluent para análise de escoamento e transferência de calor. Para a otimização baseada em substitutos, as superfícies de resposta foram geradas com o software ESTECO modeFrontier (mF). Ambas as tecnologias são fornecidas pela ESSS. Segundo Dezan, que é doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade de São Paulo e professor adjunto da UFABC, as ferramentas ajudaram a resolver muitos problemas com muito mais agilidade do que qualquer outra forma de resposta.
“Essas ferramentas são implementadas de maneira que rodem cada vez mais rápidas, é um desenvolvimento multidisciplinar. Por serem muito avançadas, elas possibilitam que poupemos tempo na simulação para resolver nossos problemas de engenharia. Usamos de forma inteligente para ganhar tempo, sem o lastro da comunidade cientifica questionar os resultados. O mF tem diversas ferramentas matemáticas que também aceleram nosso trabalho. O Ansys Fluent é muito consolidado e o custo benefício também é bom. Tem sido usado muito nas universidades para desenvolvimento de pesquisa”, destaca Dezan.
O artigo foi publicado em janeiro de 2020 na Applied Energy, premiada revista sobre inovação, pesquisa, desenvolvimento e demonstração nas áreas de conversão e conservação de energia, recursos energéticos, otimização de processos energéticos, mitigação de poluentes ambientais e sistemas de energia sustentável. Em pouco menos de seis meses da publicação, já se tornou citação de outros estudos.
Relevância da pesquisa
Além de ser renovável, a energia solar é uma fonte verde, gratuita e inesgotável. A conversão da radiação solar em energia térmica para fins de aquecimento pode ser alcançada por vários tipos de coletores solares térmicos. Os aquecedores solares são dispositivos usados em aplicações que exigem temperaturas moderadas, especialmente aquelas relacionadas ao aquecimento e secagem de grãos, silagem, frutas e legumes.
As vantagens destes aquecedores são simplicidade, baixo custo de fabricação e meio de transferência de calor que não apresentam riscos ambientais ou à saúde. No entanto, a capacidade de transferência de calor destes equipamentos é pequena. Existem vários projetos diferentes de aquecedores solares de ar, que podem ser classificados basicamente como setores do caminho do fluxo de ar envolvidos em sistemas de passagem simples e dupla. O estudo realizado trata do tipo de passagem única, como ilustrado na imagem.
Visão lateral de um aquecedor solar de ar de passagem única.
As investigações sobre o aprimoramento da transferência de calor entre a plataforma mais baixa e a vazão são altamente importantes, pois as características da transferência de calor são governadas principalmente pelas velocidades de fluxo e padrão de fluxo. A formação de uma camada limite sobre a placa absorvente é a principal resistência à transferência de calor. Assim, os esforços para aumentar a transferência de calor devem ser direcionados para interromper a camada limite. O aumento da transferência de calor entre a placa absorvente e o ar que flui reduz os níveis de temperatura do tipo de canal, o que afeta positivamente a eficiência do coletor, uma vez que as perdas de calor no ambiente são mitigadas. Existem muitos fatores que afetam a eficiência do coletor, incluindo o material e as dimensões da placa, velocidade do vento, temperatura ambiente, condições do fluxo de entrada, tipo e quantidade de vidro, cobertura, sujeira na capa de vidro, tipo e espessura das isolações.
Nesse contexto, a otimização de aquecedores solares de ar do tipo canal com geradores de vórtice (neste caso, delta winglets) é a área de interesse da pesquisa da UFABC. Outra maneira potencial de melhorar o desempenho termo hidráulico dos aquecedores solares envolve o uso de geradores de vórtice longitudinais (LVGs), que promovem uma melhor mistura do fluido quente e frio. Geradores de vórtices longitudinais aumentam o coeficiente de transferência de calor entre a placa absorvedora e o ar, tornando possível um arranjo menor e mais compacto para uma mesma temperatura de operação ou temperaturas maiores na saída.
Destaques do estudo
Como mencionado, a pesquisa focou na análise de sensibilidade e na otimização de aquecedores solares baseada em substitutos dos tipos de canais de aquecedores de ar com três pares de mangueiras, distribuídos em ambas as orientações (de fluxo comum para fluxo baixo e fluxo comum para alto) nos números de Reynolds de 5.000 e 10.000.
O desempenho do canal foi investigado considerando a variação de nove parâmetros de entrada relacionados ao cordão, a altura e o ângulo de ataque de cada linha de pares de delta winglet, nos quais as linhas dos geradores de vórtice são independentes uma da outra.
A análise de sensibilidade (AS) foi realizada por meio dos indicadores Morris, FAST e PAW. A partir desta análise, destacou-se que o fator de atrito é muito mais sensível às variáveis de projeto do que o número de Nusselt.
O procedimento de otimização consistiu na combinação do modelo de Krigagem Anisotrópica e o Algoritmo Genético de Classificação Não Dominado (NSGA-II). As soluções otimizadas indicaram que os maiores desempenhos do canal são alcançados quando os geradores de vórtice não são periodicamente distribuídos ao longo do canal. No que diz respeito à razão de potência do tonet, a matriz Common-Flow-Up teve um desempenho melhor que as matrizes Common-Flow-Down e o aprimoramento adicional desse parâmetro não é editado quando o número de Reynolds é aumentado.
Os principais vórtices gerados pelos pares de winglets delta em Re = 10.000 propagam o próprio fluxo mais próximo da placa absorvente, e os vórtices de canto são fracos e rapidamente dissipados ao longo da direção principal do fluxo, para ambos os arranjos Common-Flow-Up e Common-Flow-Down.
O uso das ferramentas de simulação no estudo
Para Dezan, o maior desafio deste estudo foi acoplar a elaboração da geometria, discretização computacional (malhas computacionais), simulação do escoamento e transferência de calor e fazer isso de forma automática, seguido das análises de sensibilidade e de otimização. As ferramentas Ansys e modeFrontier foram utilizadas em diversas etapas do estudo, como é possível constatar abaixo em algumas fases relevantes.
A análise de sensibilidade pode ser definida como o estudo da incerteza na saída de um modelo, numérico ou não, que pode ser atribuído a diferentes fontes de incerteza na entrada do modelo. Existem muitas abordagens diferentes para a AS, bem como muitos pacotes de software diferentes que implementam esses métodos. O processo geral de execução da análise e otimização da sensibilidade é ilustrado no fluxograma abaixo. Em geral, esse processo é baseado no design e modelagem por meio de experimentos computacionais baseados em superfícies de resposta.
Fluxograma com processo computacional aplicado para modelagem, análise e otimização.
Os nove parâmetros geométricos do estudo (c1, c2, c3, H1, H2, H3, θ1, θ2 e θ3) variam no domínio do design (DoE, design de experimentos) dentro de seus respectivos intervalos usando o algoritmo Uniform Latin Hypercube (ULH), disponível no software Esteco modeFrontier 2018R2.
Para as malhas volumétricas 3D (camadas de prisma e tetraédricas) foi usado o software Ansys Tgrid. O solucionador para executar as simulações numéricas é realizado com o Ansys Fluent v19.0. Para a otimização baseada em substitutos, as superfícies de resposta foram geradas com o software ESTECO modeFrontier.
Para todas as respostas modeladas na pesquisa, foram geradas 250 amostras de projeto, rodadas no Ansys Fluent para que fosse possível ter uma análise de sensibilidade robusta (250 respostas para perda de calor e 250 respostas para perda de carga). Primeiramente, para cada caso, 90 amostras de DoE (dez vezes o número de entradas) foram geradas com ULH, após o qual as superfícies de resposta foram geradas e as métricas de erro verificadas. Na sequência, novas amostras de projeto foram geradas iterativamente no software ESTECO modeFrontier usando o algoritmo de preenchimento de espaço incremental até que as superfícies de resposta fossem precisas o suficiente para fins de otimização.
Para medir a precisão, os dados foram divididos em conjuntos de treinamento e validação com proporções de 80% e 20%, respectivamente. As métricas de erro usadas para garantir a precisão das superfícies de resposta foram as mesmas usadas para a análise de sensibilidade.
O detalhamento da metodologia e das análises e experimentos da pesquisa estão descritos no artigo completo publicado no site da revista Applied Energy.
Próximos passos do estudo
De acordo com o professor Dezan, a equipe segue estudando e/ou combinando técnicas para intensificar a transferência de calor e aumentar a eficiência térmica de coletores solares para aquecimento de ar. Sobre a aplicação do estudo, destaca “depois de concluído o estudo e termos encontrado as melhores condições e configurações, é possível pensar em montar um protótipo que poderia ser utilizado para secagem de grãos e frutas ou variações deste tipo”.
