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Publicação
DESEMPENHO TERMOQUÍMICO TRANSIENTE DE UM REATOR SOLAR VOLUMÉTRICO APLICADO À REFORMAÇÃO DE METANO COM VAPOR DE ÁGUA
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Orientador(es)
Resumo(s)
Aos dias de hoje, a dependência de fontes de energia como os combustíveis está fortemente refletida em todo o planeta. Estas não só são muito poluentes, mas também altamente influenciáveis por relações geopolíticas. Está-se perante um ponto de viragem na indústria energética, estando pre-visto atingir-se, num futuro próximo, o ponto de saturação do excedente energético de energias fósseis. Com isto, torna-se fundamental o aumento da produção de energias alternativas. Apesar da facilidade de comercialização de soluções de fotovoltaicas, as tecnologias de concentração de radiação solar apresentam potencial para serem vistas como uma solução alternativa. Dentro destas tecnologias, o coletor de disco parabólico é o que consegue garantir uma melhor eficiência de conversão de radiação em eletricidade. Também a reformação de metano com vapor de água oferece uma boa estabilidade química para janelas de temperatura de funcionamento mais baixas. Assim, para esta dissertação, é considerado o estudo da influência de regimes transientes abruptos das condições de operação (forne-cimento de radiação e velocidade do escoamento) na estabilidade e eficiência do processo químico. Considera-se um reator volumétrico com uma espuma cerâmica de SiC revestida a Rh/Al2O3 e um rá-cio de 3:1 para a admissão de moléculas de H2O e CH4. O desempenho do reator é previsto através da aplicação de um modelo 1D ao longo da coordenada principal do escoamento, considerando a condi-ção de não-equilíbrio térmico local entre o fluido e a fase sólida. Observa-se que, para qualquer falha total das condições de operação do reator, a perda de desempenho pela parte do mesmo é quase ins-tantânea ((𝑆H2)𝜏=5 s=23,0%). Por outro lado, para aumentos totais, o sistema apresenta uma maior inércia para a zona de saída do meio poroso. Quando a alteração das condições de operação não é feita de forma total, o sistema apresenta uma resposta rápida e mantém a estabilidade do processo químico (𝜂𝑐ℎ𝑒𝑚=28,4%). Para alterações da velocidade, o novo estado de equilíbrio atinge-se rapidamente, mas mais longe da secção de entrada, enquanto para alterações do fornecimento de radiação, observa-se o contrário.
Nowadays, the dependence on energy sources such as fossil fuels is strongly present all around the world. These are not only highly polluting, but also highly influenced by geopolitical relations. We are at a turning point in the energy industry, as it is predicted that we will reach the saturation point of the fossil energy surplus in the near future. Because of this, it becomes essential to increase the electricity production from alternative sources. Despite the ease of commercialization of photovoltaic solutions, concentrated solar radiation technologies have the potential to be seen as an alternative solution. Among these technologies, the parabolic dish collector ensures the best efficiency of conversion of ra-diation into electricity. Steam methane reforming also offers good chemical stability for lower operating temperature ranges. Thus, for this thesis, it is considered the study of the influence of abrupt transients in operating conditions (radiation supply and velocity) on the stability and efficiency of the chemical pro-cess. A parabolic dish reactor, with a SiC ceramic foam coated with Rh/Al₂O₃ and a 3:1 ratio for the feeding of H₂O and CH₄ molecules is considered. The reactor's performance is predicted using a 1D model trough the flow's main coordinate, considering the local non-thermal equilibrium condition be-tween fluid and solid phases. It is observed that for any total failure of the operating conditions, the reactor experiences an almost instantaneous loss of performance ((𝑆H2)𝜏=5 s=23,0%). On the other hand, for total increases of the operating conditions, the system shows inertia in reaching a stable solu-tion. When the change in operating conditions is not total, the system responds quickly and maintains the stability of the chemical process (𝜂𝑐ℎ𝑒𝑚=28,4%). For changes in flow velocity, the new equilib-rium state is reached rapidly, but further from the entry section, whereas for changes in radiation supply, the opposite is observed.
Nowadays, the dependence on energy sources such as fossil fuels is strongly present all around the world. These are not only highly polluting, but also highly influenced by geopolitical relations. We are at a turning point in the energy industry, as it is predicted that we will reach the saturation point of the fossil energy surplus in the near future. Because of this, it becomes essential to increase the electricity production from alternative sources. Despite the ease of commercialization of photovoltaic solutions, concentrated solar radiation technologies have the potential to be seen as an alternative solution. Among these technologies, the parabolic dish collector ensures the best efficiency of conversion of ra-diation into electricity. Steam methane reforming also offers good chemical stability for lower operating temperature ranges. Thus, for this thesis, it is considered the study of the influence of abrupt transients in operating conditions (radiation supply and velocity) on the stability and efficiency of the chemical pro-cess. A parabolic dish reactor, with a SiC ceramic foam coated with Rh/Al₂O₃ and a 3:1 ratio for the feeding of H₂O and CH₄ molecules is considered. The reactor's performance is predicted using a 1D model trough the flow's main coordinate, considering the local non-thermal equilibrium condition be-tween fluid and solid phases. It is observed that for any total failure of the operating conditions, the reactor experiences an almost instantaneous loss of performance ((𝑆H2)𝜏=5 s=23,0%). On the other hand, for total increases of the operating conditions, the system shows inertia in reaching a stable solu-tion. When the change in operating conditions is not total, the system responds quickly and maintains the stability of the chemical process (𝜂𝑐ℎ𝑒𝑚=28,4%). For changes in flow velocity, the new equilib-rium state is reached rapidly, but further from the entry section, whereas for changes in radiation supply, the opposite is observed.
Descrição
Palavras-chave
energia solar concentrada reformação de metano a vapor simulação numérica meio poroso modelo transiente