Análise numérica multiobjetivo de trocadores de calor solo-ar horizontais com dutos retilíneos de seção transversal elíptica através do design construtal
Autor: Ivanilton Reinato de Andrade (Currículo Lattes)
Resumo
Este estudo aborda a análise do potencial térmico e da perda de carga do Trocador de Calor Solo - Ar (TCSA). O dispositivo explora a energia proveniente do sol como alternativa viável para a redução do consumo de energia elétrica com condicionamento térmico de ambientes construídos. O TCSA consiste em dutos enterrados no solo, no qual permite escoar o ar do ambiente para seu interior de forma forçada, promovendo o aquecimento ou resfriamento do ar através da inércia térmica. Sendo que, esse processo é utilizado para melhorar as condições térmicas em edifícios. Neste contexto, para o problema de convecção forçada em regime turbulento e transiente, com propriedades termofísicas constantes, a razão de aspecto entre os eixos vertical e horizontal (H/L) da seção transversal elíptica do duto retilíneo é avaliada. Assim sendo, o estudo tem como objetivo geral, investigar numericamente o potencial térmico e a queda de pressão de um TCSA Horizontal Retilíneo com duto de seção transversal elíptica. A geometria é avaliada pelo método Design Construtal associada à busca exaustiva, baseando-se na variação da razão entre os eixos vertical e horizontal (H/L) da seção transversal elíptica do duto. Além disso, uma análise multiobjetivo do problema é considerada, na qual o potencial térmico (PT) e a perda de carga (PC) são avaliados conjuntamente, utilizando o Indicador de Desempenho Energético (IDE) e o método da Técnica de Preferência de Ordem por Similaridade com a Solução Ideal (TOPSIS). A modelagem matemática do sistema foi resolvida utilizando o software ANSYS FLUENT, que baseia-se no Método dos Volumes Finitos (MVF). Os resultados mostraram que, conforme a razão H/L aumenta, o potencial térmico é maximizado. Assim, a instalação ótima foi determinada com a razão H/L = 6,0 para o potencial térmico médio anual, representando um aumento significativo de 12,35% para o período de aquecimento e 11,51% para o período de resfriamento quando comparada à Instalação de Referência. Quanto à perda de carga, a razão H/L = 0,9 foi identificada como a instalação ótima, apresentando uma redução de 0,28% em relação à Instalação de Referência e de aproximadamente 87% em relação à H/L = 6,0. Na comparação dos métodos multiobjetivos (IDE e TOPSIS) aplicados no estudo, o TOPSIS se destacou como o mais apropriado, pois permitiu, a partir das relevâncias térmicas e fluidodinâmicas, identificar a razão H/L = 0,9 como a configuração geométrica ideal, maximizando o PT e minimizando a PC no TCSA.