Resumo:
Um baixo custo e fornecimento eficiente de energia, além de aquecimento de água (cogeração), poderiam melhorar a qualidade de vida de grande parte da população brasileira que mora em regiões isoladas. Estas populações apresentam uma grande vantagem, desde o ponto de vista da sustentabilidade, frente às populações de regiões urbanizadas, dada pela sua localização dispersa e compostas por poucas pessoas e fácil acesso à biomassa. O motor Stirling, possui condições econômicas e técnicas para se converter numa das tecnologias para sua aplicação no fornecimento energético a estas populações isoladas, sendo que o potencial deste está na microcogeração. Este trabalho aborda o tema da modelagem matemática e otimização da potência e eficiência do motor Stirling Amazon, projetado pelo Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída (NEST), com o objetivo de fornecer energia nas regiões isoladas do Brasil a partir de biomassa. Nesse trabalho, é desenvolvido um modelo matemático de segunda ordem para simular a operação do motor Stirling Amazon visando a sua otimização. Este modelo matemático está baseado no modelo ideal adiabático de Urieli e Berchowitz (1984), corrigido com perdas de calor internas e externas e perdas pelo bombeamento (perdas de carga), incorporando cálculos detalhados dos trocadores de calor, inclusive, do regenerador. Sendo posteriormente o modelo matemático ajustado com simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) utilizando o software ANSYS CFX®. O modelo matemático, composto pelos modelos do trocador quente, regenerador, trocador frio, tubos conectores, flange e o modelo adiabático, é codificado em VISUAL FORTRAN®. Posteriormente é feita a validação do modelo matemático com dados experimentais de dois motores, o Amazon projetado pelo NEST e o 3 kW projetados pelo Joanneum Research. Finalmente é feita a otimização multiobjetivo da potência e eficiência do motor Amazon com ajuda do software modeFRONTIER®. Como resultado da otimização prevê-se um aumento da potência mecânica de saída do motor de 3,83 kW com uma eficiência de 32,48%.
