Desenvolvimento e simulação do parafuso de Arquimedes

Abstract

The electrical grid is linked to the development of a country, where efficient and sustainable electricity production is crucial for preserving the environment. Among renewable energy sources, hydropower stands out as a viable option, with the Archimedean screw hydroelectric plant gaining prominence. This study aimed to assess the feasibility of utilizing the Archimedean screw concept for hydroelectric power generation as an alternative to traditional power plants. The Archimedean screw is favored for its ease of installation, lower environmental impact, and a more suitable operating range for flowing water bodies, eliminating the need for reservoirs. Using CAD software (SolidWorks), a screw of real dimensions was modeled according to literature. Additionally, Computational Fluid Dynamics (CFD) software (ANSYS) was employed to calculate torque and head loss for a fixed flow rate and various rotation values, aiming to identify the optimal operating range for the screw. The simulation results were compared with previous studies, showing consistency with real-world physical phenomena. Simulating a volumetric flow rate of 5 m³/s, resembling the average flow rate of a medium-sized river, a maximum power of 162 kW was achieved at a rotation speed of 45.6 RPM. Considering the average electricity consumption of Brazilians at 152 kWh/month, it is concluded that supplying approximately 760 households would be feasible.

A matriz elétrica está ligada ao desenvolvimento de um país, onde a produção eficiente e sustentável de eletricidade é crucial para preservar o meio ambiente, e das fontes de geração de energia elétrica renováveis a opção que se destaca é a hidrelétrica, onde uma usina hidrelétrica que está em ascensão é a de parafuso de Arquimedes. Esse estudo teve o intuito de verificar a viabilidade do uso do conceito do parafuso de Arquimedes para geração de energia hidrelétrica, como alternativa a usinas tradicionais, por ser de fácil instalação e de menor impacto ambiental, além de uma faixa de operação mais propicia para corpos d’água correntes e sem a necessidade de reservatórios. Com uso de software CAD (SolidWorks) foi modelado um parafuso de dimensões reais conforme literatura e com o uso de software CFD (ANSYS) foi realizado o cálculo do torque e perda de carga para uma vazão fixa e com diferentes valores de rotação, com intuito de encontrar a melhor faixa de operação do parafuso. A simulação foi comparada com estudos anteriores, onde os resultados obtidos foram coerentes com o fenômeno físico real. Ao simular uma vazão volumétrica de 5 m³/s, que se assemelha a uma vazão média de um rio de proporções medianas, foi alcançado uma potência máxima de 162 kW a uma rotação de 45,6 RPM. Ao considerar o consumo médio dos brasileiros, que é de 152 kWh/mês, conclui-se que seria factível abastecer aproximadamente 760 residências.