Análise computacional do armazenamento energético em materiais de mudança de fase

Abstract

Os sistemas que requerem o armazenamento de energia térmica são necessários em inúmeras aplicações, desde os sistemas de produção de água quente sanitária aos sistemas de conversão de energias renováveis, com maior ou menor complexidade e a diferentes temperaturas. A utilização dos materiais de mudança de fase (MMF) para o armazenamento de energia térmica é uma das formas de intensificar o armazenamento de calor por tirar partido do calor latente destes materiais, por norma maior do que a sua capacidade calorifica, dita sensível. Contudo, a reduzida condutibilidade térmica de alguns PCM, nomeadamente parafinas e derivados, levanta desafios importantes relativamente à sua integração em sistemas e processos onde sejam requeridas constantes de tempo mais baixas. É neste contexto que surge a presente dissertação, na qual é proposta o estudo do armazenamento energético usando estes materiais integrados em sistemas de permuta destinados ao aproveitamento de energia térmica a baixa temperatura, para o pré aquecimento da água de alimentação a tanques de armazenamento de águas quentes sanitárias (AQS). Para se estudar o comportamento de diferentes configurações para o sistema proposto, recorreu-se à análise computacional de escoamentos com troca de calor, recorrendo a um software comercial ANSYS (Fluent). Com o objetivo de melhorar propriedades dos materiais de mudança de fase, misturou-se à parafina utilizada uma malha de aço que funcionou como uma alheta tridimensional porosa. Conseguiu cumprir-se o objetivo de analisar, para diferentes casos, qual a combinação de parafina e malha de aço que otimizasse as propriedades do material, aumentando em qualquer um dos casos a sua condutividade térmica e acelerando o processo de transferência de calor, e a quantidade de água fornecida pelo sistema respeitando determinados critérios referentes ao ponto de paragem do processo de descarga, independentemente do critério adotado existe uma melhoria significativa com a utilização da malha de aço.

Systems that require heat energy storage are required in an increasing number of applications, from sanitary hot water production systems to renewable energy conversation systems, with higher or lower complexity and different temperatures. The use of phase change materials (PCM) for the thermal energy storage is one way to enhance the heat storage by taking advantage of their latent heat, that is, as a rule higher than the sensitive heat capacity. Nevertheless, the low thermal conductivity of some PCM, namely paraffins and their derivatives, brings some challenges to their integration in systems and procedures that require lower time constants. It is in this context that arises this dissertation, in which is proposed to study the energy storage utilizing this materials integrated in exchange systems intended to low temperature thermal energy harnessing, to pre-heat the water that charges the sanitary hot water systems tanks. In order to study the behaviour of different system configurations resorted to heat exchange flows computational analysis, by utilizing the commercial software ANSYS (Fluent). With the objective of enhance the properties of phase change materials, it was mixed to the paraffin a steel mesh that worked as a three-dimensional porous fin. Was able to meet the objectives of analysing, for different cases, which paraffin and steel mesh combination optimize the material properties, always enhancing the thermal conductivity and the heat transfer process, and the amount of water provided in order to some criteria referring the discharge process stopping point, regardless of the selected one there is a significant improvement when the steel mesh is utilized.