Projeto e otimização meanline-streamline e análise 3D de compressores centrífugos para aplicações multi-gás: CO2 CH4, H2 e suas misturas.

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Antonio, Bruno José Nagy
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Carbon dioxide; Centrifugal compressors; Compressores centrífugos; Computational fluid dynamics; Dinâmica dos fluidos computacional; Dióxido de carbono; Mechanical design; Optimization; Otimização; Preliminary design; Projeto mecânico; Projeto preliminar
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-13082025-085307/

A importância das turbomáquinas é notada em várias aplicações nos setores de energia e petróleo e gás, particularmente em compressores radiais usados para lidar com gases complexos, incluindo dióxido de carbono (CO), hidrogênio (H) e metano (CH) e suas misturas. Embora existam ferramentas para projetar esses equipamentos, elas geralmente carecem de automação, requerem entrada manual ou não podem projetar simultaneamente rotores e estatores. Esta tese apresenta uma ferramenta de projeto preliminar para rotores e difusores com pás de compressores centrífugos operando com diversos fluidos sob condições de gás, supercrítica e misturas, obtido pela integração de códigos meanline e streamline curvature com otimizadores em um processo automatizado. A estrutura desenvolvida combina métodos 1D e 2D com o algoritmo genético NSGA-II para maximizar a eficiência isentrópica, minimizar o consumo de energia e garantir o comportamento adequado do campo de fluxo. Latin Hypercube Sampling (LHS) garante a exploração uniforme do espaço de projeto, aprimorando a convergência do processo de otimização. Modelos tridimensionais de Fluidodinâmica Computacional (CFD) foram utilizados para analisar e validar a ferramenta. Tabelas de Propriedades de Gás Real (RGP) foram geradas para cálculos de CFD usando fluidos puros e suas misturas em condições de gás real. Estudos de convergência de malha validaram a robustez dos projetos otimizados. Os resultados demonstram melhorias significativas em todos os fluidos de trabalho. Para CO supercrítico, o compressor otimizado alcançou um aumento de 2% na eficiência, com perdas por incidência e por atrito no difusor significativamente minimizadas. O projeto do compressor de hidrogênio exibiu um ganho de 3% na eficiência isentrópica, com maior redução nas perdas por incidência, mistura e por atrito. Os compressores de metano alcançaram eficiências de 92%, enquanto os projetos de misturas apresentaram desempenho robusto, apesar dos desafios termodinâmicos. O CO2 supercrítico trabalhando na região de líquido supercrítico (LL) foi comparado com gás supercrítico (GL). Considerando a mesma relação de pressão e vazão mássica, resultou em uma impressionante redução de 85% no consumo de energia. Esses resultados confirmam que a metodologia proposta oferece uma solução prática e de alto desempenho para compressores em CCS (Carbon Capture and Storage), sistemas de energia de hidrogênio e extração de gás natural.