Análise exergoenergética de um sistema de armazenamento de energia térmica com canais senoidais utilizando ar como fluido de transferência de calor

Abstract

Neste estudo, foi realizada uma análise energética e exergética de um sistema de armazenamento de energia térmica (TESS) que utiliza ar como fluido de transferência de calor, escoando através de um meio sólido com canais senoidais, uma geometria otimizada para intensificar a transferência térmica. Foram propostas equações simplificadas de conservação de energia para as fases fluida e sólida, permitindo a investigação de diferentes configurações do TESS. Os parâmetros aerodinâmicos foram obtidos por meio de simulações em dinâmica dos fluidos computacional (CFD), com discretização do domínio em volumes finitos e resolução das equações governantes utilizando esquema upwind para o termo advectivo e integração temporal implícita, garantindo robustez e estabilidade numérica. As variáveis termodinâmicas, como temperatura e vazão mássica, foram empregadas para quantificar as perdas de exergia ao longo dos processos. Foram simulados os ciclos de carregamento, descarregamento e redistribuição térmica, considerando condições operacionais representativas de uma planta heliotérmica (CSP). Configurações de TESS com 3, 6 e 9 metros de comprimento, associadas a diferentes vazões mássicas, foram avaliadas, evidenciando a influência da geometria e das condições de escoamento na exergia destruída e na eficiência do armazenamento. Os resultados indicaram que o TESS de 3 m não foi capaz de manter a temperatura do ar requerida para alimentação do ciclo termodinâmico, independentemente da vazão. Por outro lado, o TESS de 9 m, com diâmetro de canal de 0,035 m e vazão de 0,2 kg/m2s, apresentou o melhor desempenho, com perdas exergéticas totais próximas a 5% da capacidade de armazenamento. O TESS de 6 m, entretanto, demonstrou desempenho comparável, configurando-se como alternativa viável em aplicações onde a compacidade é um fator determinante. Adicionalmente, foi realizada uma análise exergo-energética integrada do sistema CSP-TESS em escala anual, utilizando o System Advisor Model (SAM) para simular a operação sob condições reais de irradiância solar e despacho energético. Essa abordagem permitiu avaliar o desempenho do sistema ao longo de diferentes regimes operacionais, fornecendo uma visão mais abrangente da eficiência global e das irreversibilidades associadas ao acoplamento entre o campo solar e o sistema de armazenamento térmico. Observou-se que o consumo de potência do soprador é fortemente dependente da geometria dos canais, devendo ser cuidadosamente considerado no dimensionamento do sistema. De forma geral, os resultados demonstram que meios porosos com canais senoidais constituem uma alternativa promissora para sistemas de armazenamento de calor sensível em alta temperatura de pequeno porte, devido ao elevado coeficiente de transferência de calor, baixa perda de carga, modularidade construtiva e adequada relação custo-benefício.