Utilização de materiais com mudança de fase em sistemas de acumulação de energia térmica

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.