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http://hdl.handle.net/20.500.11960/1317
Title: | Utilização de materiais com mudança de fase em sistemas de acumulação de energia térmica |
Authors: | Abrantes, João Frade, Jorge Ribeiro Vitorino, Nuno Miguel Dias |
Keywords: | Materiais com mudança de fase (PCMs) Transferência de calor com fronteiras móveis Métodos númericos Tempo de resposta Critérios de qualidade Phase change materials Heat transfer with moving boundaries Numerical methods Response times Quality criteria |
Issue Date: | 23-Jul-2009 |
Abstract: | Actualmente a sociedade depara-se com a necessidade de utilização racional e
eficiente da energia. O armazenamento de calor ou de frio é uma das bases de muitos
estudos e desenvolvimentos, incluindo a utilização de materiais com mudança de fase
(PCMs – Phase Change Materials) (Zalba, Marin et al. 2003). O presente trabalho incide
na avaliação da utilização de PCMs em aplicações de regulação térmica.
Foi desenvolvido um método de diferenças finitas para descrever a transferência de
calor com mudança de fase, admitindo geometria planar. O método inclui uma
transformação matemática de fronteiras móveis e apresenta estabilidade sem restrições e
excelente convergência. O confronto com soluções analíticas existentes para casos
particulares também demonstrou a precisão deste método de diferenças finitas.
As soluções do método de diferenças finitas serviram de base para demonstrar as
condições de aplicabilidade de modelos de transferência de calor em regime quase
estacionário, cuja simplicidade permite a análise de configurações muito mais complexas.
Em particular, foram desenvolvidos códigos numéricos para descrever fenómenos de
regulação térmica por acumulação de calor em PCMs, sob a acção de um fluxo de água
quente, e posterior descarga de calor para um fluxo de água fria. Dedicou-se especial
atenção aos tempos de resposta, relacionados com requisitos de elevadas potências de
carga/descarga.
Para tentar dar resposta ao problema enunciado foram analisadas as respostas de duas
configurações alternativas. O primeiro conceito consistiu num reservatório rodeado por
uma camada de PCM, responsável pela acumulação de calor em períodos normais de
funcionamento do sistema e posterior descarga de calor para um fluxo temporário de água
fria, quando o sistema é novamente posto em funcionamento. Os tempos de resposta deste
conceito são desadequados para efeitos de regulação térmica. O segundo conceito consiste
num reservatório parcialmente preenchido por esferas de PCM encapsulado. Neste caso, os
tempos de resposta podem tornar possível a regulação térmica, dependendo da optimização
das propriedades do PCM e do tamanho das respectivas cápsulas. Modern societies are urged to develop systems and concepts for efficient and rational use of energy. Many studies and developments are based on heat or cold storage, including prospective applications of phase change materials (PCMs), (Zalba, Marin et al. 2003). The present work is dedicated to assess the applicability of PCM materials for thermal regulation in hot water systems. One developed a finite difference method to describe heat transfer processes with phase change, assuming planar geometry. The method includes mathematical transformation of this moving boundary problem, and shows unrestricted stability and excellent convergence. One also used analytical solutions available for particular cases, to demonstrate the high accuracy of our finite difference method. Finite difference solutions were then used to determine conditions when heat transference with phase change may be described by a quasi steady state regime; this assumption is usually much simpler and will allow analysis of much more complex geometries and system concepts. Quasi steady state approximations were then used to develop computing codes to describe thermal regulation based on heat storage in PCM materials, under a flux of hot water, and then discharge to a temporary flux of cold water. Emphasis was given to response times, as imposed by requirements of relatively high power densities upon charging/discharging. One based our study on two alternative configurations. The first concept corresponds to one water reservoir surrounded by a PCM layer, which stores heat transferred from running hot water system, and then discharges heat to temporarily cold water. The second concept is based on partially filling the water reservoir with PCM spherical which will store heat in contact with hot water and then release heat to incoming cold water. This concept may fulfil the requirements of thermal regulation with short response times, depending on optimization of PCM properties and size of PCM capsules. |
Description: | Mestrado em Tecnologia Cerâmica na Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Viana do Castelo |
URI: | http://hdl.handle.net/20.500.11960/1317 |
Appears in Collections: | ESTG - Dissertações de mestrado |
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