Metodologia numérica para projeto e previsão de desempenho de motor Stirling tipo Beta

Exportado OPUSMade available in DSpace on 2019-08-09T19:41:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 disserta__o_de_mestrado_bryan_castro_caetano.pdf: 38549921 bytes, checksum: 278a22d1baaffb45e4151cabcd6df551 (MD5) Previous issue date: 15O projeto e a previsão do desempenho de um motor Stirling são temas pouco explorados na literatura científica, apenas poucos trabalhos abordam como iniciar o projeto de um motor. Além disso, não há modelos que simulem satisfatoriamente o comportamento dos motores Stirling reais, uma vez que os modelos de previsão de desempenho são pouco precisos, uma barreira a ser superada em novos projetos de motores. O objetivo dessa dissertação é contribuir com o desenvolvimento dos motores Stirling, propondo uma metodologia que permita projetar, caracterizar e prever o desempenho de um motor do tipo Beta que alcance uma potência de 200 W. São usados conceitos disponíveis na literatura para a determinação dos parâmetros geométricos de projeto e são apresentados os componentes mecânicos do motor concebido, que pode operar com gás hélio ou ar atmosférico a uma pressão limite de trabalho de 700 kPa. A previsão de desempenho do motor é realizada com o auxílio de uma metodologia de simulação numérica, visando reduzir o desvio na previsão da potência indicada e facilitar a extrapolação sem a necessidade de novos dados experimentais. Para isso são combinadas estratégias que permitem o cálculo da pressão interna do motor no início do ciclo (ponto morto inferior do pistão de potência) e da temperatura nas faces do pistão deslocador, para auxiliar o modelo em regime transiente usando dinâmica de fluidos computacional tridimensional. A pressão no ponto morto inferior é calculada com o modelo de primeira ordem de Schmidt. O valor calculado serve como uma correção da pressão no modelo em CFD transiente, reduzindo o custo computacional e aumentando a sua precisão. Já a temperatura nas faces do pistão deslocador é obtida através de uma simulação em regime permanente em CFD (sem movimento do pistão). O perfil de temperatura obtido é implementado em uma função definida pelo usuário na simulação em regime transiente usando programa ANSYS Fluent. Outro fator relevante neste trabalho é a análise da influência do modelo de radiação de Ordenadas Discretas, que aumenta a temperatura na face frontal do deslocador em 132,2 K, gerando uma melhora na previsão de potência indicada com uma redução no desvio de -14,4% para -2,6%, quando comparada com valores experimentais. Com a metodologia validada, o motor concebido é caracterizado e é avaliada a influência da temperatura na câmara de expansão, o tipo de fluido e a pressão do fluido. Neste trabalho, foram testadas diferentes temperaturas na câmara de expansão (673 K a 1073 K) para uma mesma rotação de 600rpm. o ponto de maior potência indicada (240,5 W) e maior eficiência térmica (19,8%) foram alcançados operando com gás hélio a uma pressão de 700 kPa a uma temperatura de 1073 K e 873 K respectivamente. Com a metodologia proposta é possível extrapolar a simulação para motores com outras dimensões, evitando que seja necessário construir um protótipo para saber o seu comportamento e permitindo sua otimização.The design and performance prediction of a Stirling engine are little explored in the scientific literature, only a few works address how to design an engine. In addition, there are no models that satisfactorily simulate the behaviour of real Stirling engines, since performance prediction models estimate large deviations, a barrier to be broken in new engine designs. The purpose of this work is to contribute to the development of Stirling engines, proposing a methodology that allows designing, characterizing and predicting the performance of a Beta-type engine. Concepts available in the literature are used for the determination of geometric design parameters and the mechanical components of the engine are presented, which can operate with helium gas or atmospheric air with a working pressure of 700 kPa. The engine performance prediction is performed with the aid of a numerical simulation methodology, aiming at reducing the deviation in predicted power and facilitating extrapolation without the need for new experimental data. For this, strategies are combined to allow the calculation of the engines internal pressure at the beginning of the cycle (lower dead centre of the power piston) and the displacer piston faces temperature, to assist the transient model using three-dimensional computational fluid dynamics. The lower dead centre pressure is calculated with Schmidts first-order model. The calculated value serves as a pressure correction in the transient CFD model, reducing computational cost and increasing its accuracy. The temperature at the displacer piston faces is obtained with a steady-state simulation in CFD (without piston movement). The obtained temperature profile is implemented in a user defined function in the transient simulation using ANSYS Fluent software. Other relevant factor in this work is the analysis of the influence of the Discrete Ordinate radiation model, which increases the temperature at the displacers frontal face in 132.2 K, generating an improvement in the indicated power prediction with a reduction in the deviation from -14, 4% to -2.6%, when compared with experimental values. With the validated methodology, the designed engine is characterized and the temperature influence in the expansion chamber, the type and the fluid pressure are evaluated. In this work, different fluids, working pressures and temperatures were tested in the expansion chamber (673 K to 1073 K) for the same rotation of 600 rpm. the highest power point indicated (240.5 W) and higher thermal efficiency (19.8 %) were achieved by operating helium at a pressure of 700 kPa at a temperature of 1073 K and 873 K. With the proposed methodology, it is possible to extrapolate the simulation to engines with other dimensions, avoiding the necessity to build a prototype to know its behavior