6.1. CONCLUSÕES
De forma geral a pesquisa atingiu os objetivos originalmente traçados. Primeiramente se realizou uma aproximação de parâmetros térmicos como a condutividade térmica k e a capacidade calorífica específica Cp de cada camada de solo que conforma o perfil de estudo, por meio da equação empírica de Kersten (1949) e equações semi-empíricas de Johansen (1975), Cotê e Konrad (2005) e Lu et al. (2007). Estes parâmetros, junto com informação fornecida do ensaio TRT experimental em um solo tropical típico se inseriram como parâmetros e variáveis de entrada no software COMSOL Multiphysics v5.2 para a posterior simulação do modelo numérico que representaria o ensaio realizado em campo, nas condições dadas. Depois de se obter os resultados numéricos, se analisaram os efeitos térmicos no solo circundante e se validaram os resultados comparando-se as temperaturas obtidas numérica e experimentalmente, obtendo-se assim, um erro de 0.3% na temperatura de resposta e 15% na taxa de troca de calor sobre o modelo real. Com essa avaliação, se procedeu a realizar o estudo de sensibilidade dos modelos finitos com a geometria, as dimensões, o tipo de elemento finito e a densidade da malha que representou o domínio de solo estudado. Se obteve de forma otimizada uma estrutura do domínio de solo conformada por uma geometria cilíndrica, com um raio de estudo de 3 m formado por elementos tetraédricos e com malha normal. Como fase posterior, se realizou uma análise paramétrica da troca de calor do ensaio TRT assim foi modelado. Foram analisados nesta etapa os efeitos térmicos da variação do comprimento e do diâmetro da estaca, do numero de tubulações, da vazão dentro das tubulações, da condutividade térmica das camadas de solo e do concreto e finalmente da espessura da tubulação. Com este processo, se chegam as seguintes conclusões principais:
Para este exemplo de ensaio TRT, não existiu numericamente uma maior variabilidade dos resultados da energia média trocada entre o solo e o fluido se os domínios estudados, tipo cilíndrico ou paralelepípedo (quando o raio do cilindro é igual ao lado da secção do paralelepípedo), já que não existe alta sensibilidade entre a geometria cilíndrica e paralelepípedo nos resultados térmicos, mas sim no tempo de processamento adotado para o problema.
Não se apresentou uma maior variabilidade dos resultados térmicos quando foram variados os limites do domínio do solo, no caso estudado. Claramente isto depende
136 significativamente das propriedades térmicas deste material geotérmico, mas também dos materiais que interatuam no domínio;
O problema de troca de calor em uma estaca de energia pode ser avaliado com qualquer tipo de elemento que o software permita se utilizar. Os resultados não variaram consideravelmente e não afetam cálculos posteriores como o fluxo de calor trocado.
Em termos de densidade da malha, não existiu variação significativa nos resultados, ajustando-se o modelo a qualquer tipo de malha variável. Entretanto existe uma maior importância no refinamento da malha perto da estaca e na tubulação que a forma;
As formulações semi-empíricas para se determinar propriedades térmicas como condutividade térmica e capacidade térmica específica, forneceram valores razoáveis sem levar em conta parte da condutividade térmica proporcionada pelos materiais oxidados do solo, porém, se obtiveram resultados numéricos muito próximos aos resultados experimentais com um erro de 15% na taxa de troca de calor;
Considerando as características e propriedades do solo em estudo, se notou que com o aumento do comprimento da estaca se ajudou na obtenção de um incremento na quantidade total do fluxo de calor. Porém isto não representou uma maior eficiência do sistema, devido ao fato de que o incremento de energia trocada não foi representativo ao ser normalizado com o comprimento da estaca;
Durante a análise do fluxo com o número de tubulações foi observado que a colocação de uma segunda tubulação não dobrou a efetividade térmica da estaca, e que para este caso em particular; uma terceira tubulação aumenta a variação para 7% a mais com relação ao sistema com tubulação dupla e 20% com relação ao sistema simples, concluindo-se assim que o fluxo de calor não se acrescenta de maneira linear e proporcional com o número de tubulações;
Analisando as variáveis que mudam o resultado durante o ensaio TRT experimental, se concluiu que a vazão é um grande potencial de mudança, e que o nível freático de água e que propriedades como a variação da condutividade térmica dos materiais (em geral) não geram mudanças significativas no resultado de fluxo de calor final;
137 A construção de estacas com diferentes materiais pode ser importante na hora de se projetar estacas trocadoras de calor, já que mudanças do fluxo de calor final estão relacionadas com concretos de alta densidade e com valores de condutividade térmica que melhoram a troca de calor;
Os sistemas de estacas trocadoras de calor são potencialmente mais eficientes em matéria térmica quando existem diferenças de temperaturas (entre o fluido e o solo) cada vez maiores, e por este motivo, o sistema pode ser vantajoso para aplicações industriais em lugares que tenham circuitos de fluidos com temperaturas mais altas que a temperatura do solo, e que esta estaca faça parte de um sistema de esfriamento em lugares isolados;
A obtenção de uma boa eficiência térmica da estaca de energia está relacionada às modificações impostas a variáveis geométricas e hidráulicas (fluxo, número de tubulações e espessura da tubulação), ou seja, soluções práticas que aumentam de maneira significativa a taxa de troca de calor total, tais como as facilidades de técnicas e construtivas que são fáceis de implementar para fins de projeto. Variáveis como a condutividade térmica dos materiais, que são difíceis de modificar, podem estar em segundo plano na ampliação do resultado térmico da estaca de energia.
6.2. RECOMENDAÇÕES PARA FUTURAS PESQUISAS
Realizar uma campanha de ensaios básicos e de caracterização do solo local para se determinar a informação real das propriedades térmicas de cada camada de solo que está envolva na pesquisa. Além disto, é importante realizar ensaios para se determinar a condutividade térmica e a capacidade calorífica específica dos solos realizando ensaios calorimétricos em laboratório de cada camada de solo. Por último, comparar os resultados obtidos com formulações semiempíricas e as obtidas diretamente de ensaios;
Realizar simulações do ensaio TRT levando em conta o comportamento não saturado do solo a partir de curvas características inseridas num modelo numérico, Devem-se observar os resultados obtidos do fluxo de calor com relação à mudança da sucção no solo e se comparar resultados com dados experimentais e numéricos. Se for possível monitorar a cada temperatura em pontos ao longo da profundidade da estaca e do solo, para logo uma melhor calibração do modelo numérico.
138 Realizar análises numéricas de sistemas integrados de grupos de fundação em diferentes distribuições, com base nos resultados preliminares e conclusões da presente pesquisa. Se for possível realizar modelos numéricos validados experimentalmente com ensaios TRT em solos tipos tropicais, onde pode ser utilizada a maioria destas fundações especiais.
Realizar ensaios de condutividade térmica e capacidade calorífica dos concretos que fazem parte do estudo experimental. Realizar simulações com maior detalhe conferido as propriedade térmicas dos materiais para obter maior acurácia nas futuras simulações numéricas.
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