Simulação transiente de um expansor scroll utilizando modelo termodinâmico e linguagem de programação

Abstract

Expansores dotiposcrollsãoindicadosparaciclosdebaixapotência,geralmentede até 10kW.Nessafaixadepotencia,ousodoexpansorscrolléinteressanteparageraçãode energiadescentralizada,principalmenteemduasaplicações:utilizandooCicloOrgânicode Rankine (ORC)paraaproveitarasfontesdeenergiaalternativas,debaixatemperatura,eno Armazenamento deEnergiaporArComprimido(CAES),utilizadoparaamenizaroproblema de intermitêncianageraçãodeenergiacomfontesolareeólica.Ambasalternativassãosolu- ções estudadasparadiminuiroimpactoambientalcausadopelageraçãodeenergiacomcom- bustíveisfósseis.Conseguirpreverofuncionamentodoexpansornessesciclosédegrande importância, paragarantiromáximoaproveitamentodaenergiadisponível.Nestetrabalho,um modelo termodinâmicodeterminísticoémelhoradoeutilizadoparasimularousodeumprotó- tipo deexpansorscrollemaplicaçõescomarcomprimidoefluidosorgânicos,considerandoos efeitos dasdiferentesirreversibilidadescausadaspelasubesobreexpansão,atrito,vazamentos internos, transferênciadecalorebloqueioparcialdobocaldeadmissão.Estemodelofoivali- dado comosresultadosexperimentaisdisponíveisnaliteraturarevisada,sendocapazdegerar resultados realistasecomumcustocomputacionalmuitomenorquandocomparadocomas simulações CFD.Omodelovalidadomostrou-seútilquandoaplicadonafasedeprojeto,para otimizar oparâmetrosvisandoomáximodesempenhodoexpansor,comotambémparagerar resultados maisrealistasemestudosdeciclos

Scroll expandersaresuitableforlowpowercycles,generallyupto10kW.Inthisrange, the scrollexpanderismainlyusedfordecentralizedenergygeneration,intwoapplications:us- ing theOrganicRankineCycle(ORC)togenerateenergybyalternativelow-temperatureenergy sources andusingtheCompressedAirEnergyStorage(CAES),tomitigatetheproblemofgen- erated intermittenceofenergywithsolarandwindsource.Bothalternativesareenvironmental solutions tolessentheimpactscausedbygeneratingenergywithfossilfuel.Beingabletopre- dict theperformanceofthescrollexpanderinthecyclesisimportanttoachievethemaximum use ofavailableenergy.Inthiswork,adeterministicmodelisadaptedandusedtosimulatea scroll expanderdeviceinapplicationswithcompressedairandorganicfluids,consideringthe effectsofdifferentirreversibilitiescausedbyunderandoverexpansion,friction,internalleak- age, heattransferandpartialblockageoftheinletnozzle.Thismodelwasvalidatedwiththe experimentalresultsavailableinthereviewedliterature,generatingresultswithalowercompu- tational costthanCFDsimulation.Thevalidatedmodelprovedtobeusefulwhenappliedinthe design stage,tooptimizetheparametersaimingatthemaximumperformanceoftheexpander, as alsotogeneratemorerealisticresultsincyclestudies