Título do projeto: Modelagem matemática e dimensionamento de um trocador de calor compacto de micro-canais como componente de uma unidade de cogeração CHP-SOFC Área de concentração/linha de pesquisa: Metalurgia Extrativa/Controle de Processos Metalúrgicos Possíveis orientadores: Roberto Parreiras Tavares, Aline Lima da Silva Justificativa/motivação para a realização do projeto: Unidades de cogeração de calor e energia (CHP) baseadas em células a combustível do tipo óxido sólido (SOFC) podem apresentar eficiência energética muito superior à geração através de máquinas térmicas. Este desempenho, entretanto, somente pode ser atingido com um alto nível de integração térmico, garantindo o reaproveitamento da energia térmica contida nos fluxos de exaustão. A função desempenhada por um trocador de calor neste sistema é portanto fundamental, uma vez que seu dimensionamento e comportamento sob condições de operação variáveis influencia a eficiência de todo o sistema. Assim, a modelagem matemática deste componente se faz uma ferramenta valiosa por permitir sua integração a um modelo sistêmico da unidade CHP-SOFC e reproduzir cenários representativos de sua operação. Objetivos: Desenvolver um modelo matemático de um trocador de calor compacto de micro-canais integrando fluidodinâmica e transferência de calor a fim de prever as temperaturas dos fluxos de saída e a perda de carga nos regimes estacionário e transiente. Avaliar a influência de parâmetros geométricos do trocador sobre o balanço entre eficiência de troca térmica e perda de carga com o objetivo de definir uma configuração ótima do ponto de vista da eficiência energética global do sitema CHP-SOFC. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: A partir da linearização das equações diferenciais que regem o escoamento de fluidos e transferência de calor é possível solucioná-las em um volume discretizado representando o trocador de calor. O software escolhido para formulação do modelo, tal como do algoritmo de solução será o MatLab. A validação da metodologia será realizada através da reprodução de estudos experimentais disponíveis na literatura. Principais referências consultadas: - HASAN, M. I., et al., Influence of channel geometry on the performance of a counter flow microchannel heat exchanger. International Journal of Thermal Sciences, p. 1607-1618, 2009. - KUPECKI, J., BADYDA, K., Mathematical model of a plate fin heat exchanger operating under solid oxide fuel cell working condition. Archives of Thermodynamics, p. 3-21, 2013. - Yin, H., Ooka, R., Shape optimization of water-to-water plate-fin heat exchanger using computational fluid dynamics and genetic algorithm. Applied Thermal Engineering, p. 310-318, 2015. - MACHADO, L., Modele de simulation et etude experimentale d un evaporateur de machine frigorifique en regime transitoire. Tese de doutorado, L Institut National des Sciences Apliquees de Lyon, 1996. 1
1. Introdução A produção de energia por células a combustível é uma alternativa com um forte apelo do ponto de vista de sustentabilidade. Sua concepção permite o uso de fontes renováveis como biocombustíveis ou mesmo um uso mais eficiente de combustíveis fósseis, ambas alternativas significando uma redução na proporção de energia produzida pelas emissões totais. Além disso, trata-se de uma tecnlogia que pode ser aplicada como fonte de geração descentralizada, dispensando a necessidade de linhas de transmissão e evitando custos como perdas energéticas, manutenção e instalação de linhas de transmissão em um sistema de geração centralizada [1]. Tratando-se especificamente de células a combustível do tipo óxido sólido (SOFC) tem-se um elevado grau de flexibilidade em termos de design, meios de produção e dimensionamento da potência do sistema [2]. Esta tecnologia apresenta ainda elevado rendimento elétrico, podendo chegar a 45%, e, se implementada em uma estrutura de cogeração de calor e energia (CHP), pode alcançar uma eficiência global de 80% [3]. O sistema CHP-SOFC, independente de sua escala, possui determinados componentes que são fundamentais para garantir sua operação estável e eficiente, como compressores, trocadores de calor e pós-combustores, tal como ilustrado de maneira simplificada por Pirkandi et al. (2012) na Figura 1.1. Há uma série de trabalhos publicados apresentando a modelagem de sistemas CHP-SOFC [3, 4, 5, 6] baseados em balanços globais de massa e energia cujo objetivo é prever o desempenho das diferentes configurações em operação. Figura 1.1. Fluxograma simplificado de um sistema CHP-SOFC [4]. A descrição específica de cada componente auxiliar do sistema CHP-SOFC é fundamental em vista da intensa recirculação e interação entre os fluxos de entrada e saída da célula a combustível. Além disso, o elevado desempenho global se deve especialmente à capacidade de re-aproveitamento da energia térmica contida nos fluxos de exaustão. Deve-se ressaltar ainda que a faixa de temperatura típica de operação de uma SOFC está entre 700 e 900 C, enquanto os materiais que a compõem são cerâmicos. É necessário portanto que os fluxos de entrada de combustível e oxidante nesta unidade sejam préaquecidos para assegurar sua integridade. Tal função é realizada pelos trocadores de calor que também garantem o re-aproveitamento da energia térmica [7]. A satisfação deste balanço energético é factível quando se concebe o sistema operante em regime estacionário, porém 2
situações como a inicialização e flutuações no regime de operação trazem um novo nível de complexidade à modelagem. Estes exemplos se inserem em um escopo que vai além da previsão do potencial de desempenho do trocador de calor em regime estacionário, tal como abordado nos trabalhos mencionados, e trata também de cenários operacionais necessários para justificar a viabilidade desta tecnologia. Por fim, este projeto tem o objetivo de desenvolver a modelagem matemática de um trocador de calor de micro-canais. Este modelo será utilizado para definir a combinação ótima de parâmetros de projeto do trocador (geometria dos canais, comprimento, materiais) sob a perspectiva de maximização global da eficiência energética de um sistema CHP-SOFC e ainda avaliar os impactos de flutuações em seus fluxos de entrada (temperatura, vazão e pressão) sobre a eficiência de troca térmica, perda de carga e consequentemente dos fluxos de saída. 2. Materiais e Métodos A modelagem será realizada através do método dos volumes finitos (FVM) e da lineariazação das equações de continuidade e conservação de momentum e energia em três dimensões para solução dos regimes de escoamento e transferência de calor [8, 9]. O passo seguinte a modelagem matemática é o estudo de independência da malha, que consiste em definir o grau de refino necessário ao esquema de discretização a partir do qual não há alteração nos resultados obtidos. Simulações tratando diferentes projetos do trocador de calor serão estudadas a fim de correlacionar os parâmetros geométricos que os definem à eficiência de troca térmica e perda de carga verificadas. A Figura 2.1 ilustra dois micro-canais operando em contra-corrente e os parâmetros que definem sua geometria. Os subescritos c e h representam os canais onde passam os fluidos frio e quente, respectivamente. H, W e L são a altura, largura e comprimento dos canais respectivamente, e t é a espessura da camada que os separa. Figura 2.1. Ilustração das dimensões de dois micro-canais de um trocador de calor [8]. A partir da definição de uma geometria, os estudos sobre fenômenos transientes será conduzido. Variações nas temperaturas, vazões, composições e pressões de entrada dos 3
fluidos serão avaliados conjunta e separadamente, e mais uma vez a eficiência de troca térmica e perda de carga será correlacionada. 3. Infraestrutura e recursos necessários O desenvolvimento do modelo será realizado no software MatLab, cuja licença está disponível aos alunos da universidade, e as simulações serão executadas nas máquinas disponíveis no Laboratório de Simulação Matemática de Processos (DEMET-UFMG) assim como no computador pessoal do aluno. 4. Cronograma de execução A Tabela 4.1 mostra o plano de atividades para realização do projeto. Será dada atenção à revisão da literatura ao longo de todo o trabalho, com maior intensidade no primeiros seis meses e acompanhamento de novas publicações em temas afins nos demais. A seleção de projetos de trocador diz respeito ao seu dimensionamento frente à demanda do sistema CHP-SOFC e as variedades de geometrias de micro-canais a serem exploradas. Em paralelo, o modelo matemático será implementado e os esquemas de discretização avaliados. A parcela final da primeira metade do cronograma será dedicada a experimentação do modelo voltado para a seleção do melhor projeto de trocador e também da elaboração da defesa da proposta de mestrado a partir destes primeiros resultados. A metade final do cronograma foi reservada às simulações transientes pois são as que oferecem maior número de combinações de fatores a serem experimentados, e demandam mais tempo computacional. A escrita da dissertação e preparação de artigos segue em paralelo se aproveitando da gradativa produção de resultados e intervalos entre simulações. 4
Tabela 4.1. Cronograma de execução do projeto. 2018 2019 2020 Atividades Jan-Mar Abr-Jun Jul-Set Out-Dez Jan-Mar Abr-Jun Jul-Set Out-Dez Jan-Fev Revisão da literatura Definição dos projetos de trocadores de calor a serem analisados Modelagem e estudo de independência de malha Avaliação do efeito dos parâmetros geométricos sobre o desempenho do trocador Elaboração da proposta de dissertação Defesa da proposta de dissertação Simulações em regime transiente Elaboração da dissertação de mestrado Preparação e submissão de artigos Defesa da dissertação de mestrado 5
5. Referências bibliográficas [1] NAIMASTER, E. J., SLEITI, A. K., Potential of SOFC CHP systems for energy-efficient commercial buildings. Energy and Buildings, v. 61, p. 153-160, 2013. [2] MINH, N. Q., Solid oxide fuel cell technology: features and applications. Solid State Ionics, v. 174, p. 271-277, 2004. [3] KUPECKI, J., BADYDA, K., SOFC-based micro-chp system as an example of efficient power generation unit. Archives of thermodynamics, v. 32, p. 33-43, 2011. [4] PIRKANDI, J., et al., Electrochemical and thermodynamic modeling of a CHP system using tubular solid oxide fuel cell (SOFC-CHP). Journal of Cleaner Production, v. 29, p. 151-162, 2012. [5] PIRKANDI, J., et al., An optimal configuration for a solid oxide fuel cell-gas turbine (SOFC-GT) hybrid system based on thermo-economic modelling. Journal of Cleaner Production, v. 144, p. 275-386, 2017. [6] HAJABDOLLAHI, Z., FU, P., Multi-objective based configuration optimization of SOFC-GT cogeneration plant. Applied Thermal Engineering, v. 112, p. 549-559, 2017. [7] MOTYLINSKI, K., KUPECKI, J., Modeling the dynamic operation of a small plate-fin heat exchanger parametric analysis. Archives of thermodynamics, v. 36, p. 85-103, 2015. [8] HASAN, M. I., et al., Influence of channel geometry on the performance of a counter flow microchannel heat exchanger. International Journal of Thermal Sciences, p. 1607-1618, 2009. [9] MOHAMMED, H. A., et al., Thermal and hydrodynamic performance analysis of circular microchannel heat exchanger utilizing nanofluids. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, v. 22, p. 907-927, 2012. 6