Otimização da troca térmica em trocadores de calor de leito fluidizado para utilização em sistemas de geração de energia solar concentrada

Abstract

Neste trabalho a metodologia de superfície de resposta foi utilizada para produzir um meta-modelo a ser utilizado na otimização da troca térmica em trocadores de calor de leito fluidizado, a serem inseridos em um sistema de geração de energia solar utilizando a tecnologia de energia solar concentrada. Os resultados para o desenvolvimento da superfície de resposta foram obtidos por meio de simulações computacionais baseadas no teoria cinética dos escoamentos granulares. Por se tratar de um fenômeno bastante complexo, no qual há influência de diversas variáveis, um estudo inicial de triagem de variáveis, realizado por meio de um planejamento experimental fatorial fracionário, foi feito. A partir deste foi determinado que o tamanho das partículas, distância e diâmetro dos tubos de transferência de calor são os fatores que mais influem nos mecanismos de troca térmica dentro do leito. Usando essas variáveis outros dois planejamentos experimentais foram propostos com o intuito de obter um ponto ótimo. O primeiro, um planejamento fatorial completo com quatro níveis, resultou em uma superfície de resposta na qual não havia um ponto de máximo, por este motivo um segundo planejamento experimental, do tipo central composto, foi selecionado em uma região de busca diferente. Pela análise dos resultados obtidos com ambos os planejamentos conclui-se que um ponto de máximo para o coeficiente de transferência de calor é obtido quando se tem um tamanho de partícula de 0,2 mm, diâmetro de tubos de 35,13 mm e distância entre os tubos de 6,2 cm. Na sequência o calor trocado entre os tubos e o leito foi otimizado utilizando dois novos planejamentos experimentais centrais compostos. Nesse caso o valor ótimo foi obtido quando o diâmetro dos tubos é de 36,75 mm e a distância entre estes é de 6,91 cm.

Abstract: In this thesis, the response surface methodology was used to produce a meta-model applied to the optimization of heat exchange in fluidized bed heat exchangers used in power generation systems through the concentrated solar energy technology. The results for the development of the response surface were obtained from computational simulations based on the kinetic theory of granular flows. Since this is a fairly complex system, in which there is the influence of several variables, an initial study of variable screening, carried out through a fractional factorial experimental design was made. Then it was found that the size of the particles, as well as the distance and the diameter of the heat transfer tubes, are the factors that most influence the mechanisms of heat exchange within the bed. Using these variables, two other experimental designs were proposed in order to obtain an optimal point. The first one, complete factorial design with four levels, resulted in a response surface in which there was no point of maximum, thus a second experimental design, based on the central composite scheme, was selected in a different search region. When analyzing the results obtained with both designs, it is possible to conclude that a point of maximum for the heat transfer coefficient is obtained for the particle size of 200 µm, the diameter of tubes of 35.13 mm and the distance between the tubes of 6.2 cm. Thereafter the amount of heat exchanged between the tubes and the bed was optimized using two new composite central experimental designs. In this case, the optimal value was obtained when the diameter of the tubes is 36.75 mm and the distance between them is 6.91 cm.