Bibliographie

A abordagem exergética vem sendo empregada há alguns anos para estudo de problemas de conversão de energia na indústria aeroespacial, principalmente em análises integradas de sistemas de aeronaves.

Alguns autores aplicaram a análise exergética aos sistemas de controle ambiental. Vargas e Bejan (2001) aplicaram a exergia como parâmetro de otimização de um trocador de calor do sistema de controle ambiental. A otimização baseou-se em maximizar a desempenho termodinâmico do avião (menor destruição de exergia ou consumo de combustível) variando a geometria do componente e analisando também a destruição de exergia no mesmo. Este trabalho mostra a importância da análise exergética em nível de sistemas e também em nível de avião. Em outro estudo de sistema de controle ambiental (ORDONEZ, BEJAN, 2003) são propostos procedimentos para a realização da otimização termodinâmica: limites realistas para menor potência requerida quando há operação reversível, assim como características de projeto que permitiriam a operação em condições de mínimo consumo de potência. É mostrado que a temperatura do fluxo de ar que a unidade de controle ambiental fornece à cabine pode ser otimizada para operação com mínima potência. Nesse trabalho, foram implementados modelos de transferência de calor no interior da cabine com diferentes graus de complexidade associados a um modelo de unidade de controle ambiental irreversível.

Paulus e Gaggioli (2000) defendem o uso da exergia para analisar sistemas complexos e que possuem diversas transformações energéticas, como uma aeronave. Os mesmos propuseram a avaliação dos fluxos exergéticos e exergia destruída após o projeto preliminar da aeronave, para identificação dos sistemas nos quais melhorias seriam mais benéficas para a aeronave. Para exemplificar, empregaram a análise exergética para realizar a análise de viabilidade de dois tipos de alternadores para um pequeno avião experimental. O método proposto utiliza a análise exergética assim como a análise termoeconômica para a seleção do alternador ótimo.

Muñoz (2000) desenvolveu várias estratégias de decomposição para otimização, aplicando-as à otimização integrada de dois subsistemas de um avião militar avançado e

usando análise exergética como principal parâmetro. O autor defende que a análise exergética possibilita obter figuras mais completas dos processos de conversão de energia que ocorrem numa aeronave pois mostra a qualidade dos mesmos. Foi realizado o projeto conceitual de um turbo jato com pós-queimador e a síntese e otimização do projeto do ciclo a ar do sistema de controle ambiental. Na mesma linha de estratégias para otimização utilizando análise exergética, Rancruel (2002) aplicou o método desenvolvido por Muñoz (2000) para realizar a síntese, projeto e otimização operacional de um caça tático avançado. O avião foi decomposto em cinco subsistemas: propulsão, controle ambiental, circuito de combustível, ciclo de compressão de vapor, circuito de poli-alfa-olefina (PAO) e a estrutura do avião.

Figliola e colaboradores (2003) desenvolveram um modelo de unidade de controle ambiental para um avião militar que inclui sete subsistemas integrados: 1) o circuito de baixa temperatura de PAO; 2) o ciclo de compressão de vapor; 3) o ciclo a ar; 4) o circuito de alta temperatura de poli-alfa-olefina; 5) o circuito de óleo; 6) o sistema hidráulico e 7) o circuito de combustível. O modelo permite analisar cada subsistema, componente por componente, para cada requisito de missão do avião, ou de forma integrada ao longo da missão. O objetivo consiste em reduzir a geração de entropia total da aeronave, satisfazendo o desempenho requerido do sistema de controle ambiental e peso na decolagem (determinado por uma análise energética). As principais variáveis, tais como efetividade do evaporador, vazão mássica do circuito de baixa temperatura do PAO são expressas em função do peso na decolagem. A otimização foi realizada utilizando-se uma abordagem multi-objetivo aplicada a duas situações; mínimo peso de decolagem e mínima geração de entropia, tendo-se obtido resultados similares. O método mostrou que a análise exergética provê informações importantes para auxiliar o projeto de sistemas aeonáuticos.

Roth (2003) propõe um método de análise exergética e mostra a utilização da exergia durante uma missão de interceptação de um F5E, na região subsônica. Neste caso, 90% da exergia total são destruídos no sistema de propulsão (combustão, exergia cinética e térmica dos gases de escape). Os 10% restantes são empregados para gerar o necessário empuxo requerido pelo avião. Além disso, o autor estabelece a ligação entre o desempenho aero termodinâmico e o peso do avião, sendo possível quantificar as perdas que ocorrem ao longo da missão (potência de arrasto, irreversibilidades do motor, etc.) em termos de massa de combustível requerida para compensar essas perdas em uma missão completa. Mostra-se que é possível fazer uma alocação do custo de combustível aos mecanismos de perdas

aerotermodinâmicas durante uma missão completa de voo. O autor conclui que o uso da análise exergética provê a ponte entre as análises de desempenho e peso de aeronaves, e facilita a tomada de decisão em projetos de aeronaves.

Moorhouse (2003) propõe uma análise integrada e multidisciplinar para aeronaves usando a análise exergética como ferramenta para o projeto de toda a aeronave. O autor propõe um critério de alocação de perdas durante a missão quantificando os requisitos da missão em termos exergéticos em nível avião e descendo para nível sistema. O método proposto considera o trabalho necessário nas etapas de decolagem, subida, cruzeiro, descida, variações de massa e velocidade, etc. Este procedimento permite avaliar a exergia destruída em cada fase da missão.

Markell (2005) comparou um método baseado na análise exergética com um método tradicional quando aplicados à síntese/projeto e otimização operacional à configuração de um avião hipersônico considerando a estrutura aeronáutica e o sistema de propulsão (entrada, combustor e componentes do bocal). Os resultados obtidos com as otimizações mostraram que o método exergético tem bom desempenho quando comparado com o método padrão e, em alguns casos, conduz a melhores resultados ótimos de síntese/projeto em termos de requisitos de fluxo de massa de combustível para uma dada missão.

Butt (2005) aplicou métodos baseados na análise energética e exergética à síntese/projeto integrado de um caça ar-ar com e sem possibilidade de alterações na configuração das asas. As configurações do avião foram otimizadas empregando-se quatro funções objetivo distintas: mínimo consumo de combustível, mínima exergia total destruída e perdida, mínima exergia destruída e perdida pelo sistema de propulsão e maximização da eficiência de propulsão (tração). A minimização do consumo de combustível e da quantidade total de exergia destruída e perdida conduziu aos melhores resultados. Isto se deve ao fato de que ambas as funções objetivo visam, essencialmente, minimizar o uso da exergia do combustível do avião.

Periannan (2005) estudou funções objetivo baseadas na análise energética e exergética para a otimização de três subsistemas: propulsão, controle ambiental e configuração aerodinâmica do avião. O autor concluiu que a abordagem exergética, além de indicar onde

ocorrem as maiores ineficiências, permite obter um veículo de desempenho superior que leva em conta as irreversibilidades em subsistemas.

Brewer (2006) aplicou a análise exergética à síntese/projeto de veículos hipersônicos genéricos nos quais os compromissos entre diferentes tecnologias são observados. Um veículo hipersônico foi projetado e otimizado para uma missão com três funções objetivo: máxima eficiência de propulsão (tração), mínimo consumo de combustível e mínima destruição de exergia e perda de exergia do combustível. As funções objetivo para mínimo consumo de combustível, mínima exergia destruída e perda de exergia do combustível mostraram-se aptas para o projeto e operação de um veículo que satisfaz as restrições da missão utilizando quantidades idênticas de combustível. A função objetivo que maximiza a eficiência da propulsão resulta em valores de combustível consumido e exergia destruída e perdida significativamente maiores.

Em resumo, muitos autores reconhecem que a análise de sistemas aeronáuticos deve ser um procedimento integrado em que se busca o objetivo de minimização de perdas ou melhoria de eficiência do veículo como um todo. Eles reconhecem também que a análise exergética aplicada a sistemas aeronáuticos traz benefícios singulares como a identificação dos equipamentos e processos de conversão de energia onde ocorrem as maiores ineficiências (exergia destruída). Como muitos autores já o fizeram, o parâmetro destruição de exergia pode ser usado em funções objetivo de diversos métodos de otimização.

Entretanto, nota-se que falta na literatura a especificação de um método dedicado e harmonizador, que consolide parâmetros já existentes e crie outros parâmetros comparativos entre sistemas para auxiliar a análise exergética aplicada a aeronaves.