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http://hdl.handle.net/1843/49717| Type: | Dissertação |
| Title: | Modelagem numérica e simulação computacional do processo de fusão de PCM (Phase-Change Material) em um tanque de armazenamento térmico acoplado a um coletor solar |
| Other Titles: | Numerical modelling and computational simulation of PCM melting process in storage tank coupled with a solar collector |
| Authors: | Paulo Henrique de Andrade Marinho Tôrres |
| First Advisor: | Andréa Oliveira Souza da Costa |
| First Co-advisor: | Esly Ferreira da Costa Junior |
| First Referee: | Daniel Bastos de Rezende |
| Second Referee: | Luiz Machado |
| Abstract: | Um tanque cilíndrico de armazenamento térmico no formato de um trocador de calor casco-tubo, presente em um sistema de aquecimento, é estudado neste trabalho. O emprego de um material que sofre mudança de fase em um tanque de armazenamento energético permite o armazenamento de energia empregando o calor latente, possibilitando a suavização da intermitência do recurso solar. A fim de prever o comportamento diurno do tanque, período no qual a energia é continuamente armazenada, emprega-se um modelo da literatura baseado no método entalpia. Com modificações na estratégia de resolução numérica encontrada no estudo tomado como ponto de partida, propõe-se uma correção na equação empregada para a entalpia de modo a torná-la contínua e também possibilitar a integração direta do sistema de equações algébrico-diferenciais, resultante da discretização do modelo em duas direções espaciais em volumes finitos. A rotina de integração implementada no MATLAB e empregada no presente trabalho permite o controle dos erros inerentes à integração numérica, o que é mais difícil de ser realizado empregando-se o método de Euler Implícito usado previamente pelos outros autores. Mais além, nesta nova metodologia, não se faz mais necessário o uso de propriedades constantes (calores específicos e condutividades térmicas). O sistema simulado emprega CaCl2.6H2O (Cloreto de Cálcio Hexahidratado) no tanque de armazenamento e água como fluido de transferência de calor. O tempo simulado de fusão completa foi empregado para a análise de convergência da malha e considerou-se convergida a solução com 30 divisões na direção radial e 15 na axial para uma malha uniforme. Para a malha não-uniforme, considerou-se convergida a solução com 18 divisões em ambas as direções. Na simulação, empregando a malha uniforme convergida, foi observado um tempo computacional aproximadamente 12 vezes maior em relação à simulação com malha não-uniforme. A diferença de cerca de 15% no tempo para fusão completa em relação ao calculado num estudo prévio pode estar associada ao uso de um método de 1ª ordem para a integração temporal pelos autores. Apresentam-se os perfis temporais, radiais e axiais de temperatura no tanque e verificou-se que todos são coerentes fisicamente. |
| Abstract: | A cylindrical thermal storage tank, present in a heating system, is studied in this work. The use of a material that undergoes a phase change in an energy storage tank makes it possible to store energy using latent heat. To predict the diurnal behavior of the tank, during which energy is continuously stored, a model from the literature based on the enthalpy method is used. With changes in the numerical resolution strategy found in the study taken as a starting point, it was proposed a correction in the equation used for the enthalpy to make it continuous and also allow the direct integration of the system of algebraic-differential equations, resulting from the model discretization in two spatial directions in finite volumes. The integration routine implemented in MATLAB and used in the present work allows the control of errors inherent to numerical integration, which is more difficult to be performed using the Implicit Euler method previously used by other authors. Furthermore, in this new methodology, it is no longer necessary to use constant properties (specific heats and thermal conductivities). The simulated system employs CaCl2.6H2O (Calcium Chloride Hexahydrate) in the storage tank and water as the heat transfer fluid. The simulated time of complete melting was used for the mesh convergence analysis and the solution with 30 divisions in the radial direction and 15 in the axial direction was considered converged to a uniform mesh. For the non-uniform mesh, the solution with 18 divisions in both directions was considered converged. In the simulation, for the converged uniform mesh, a computational time was observed approximately 12 times greater in relation to the simulation with non-uniform mesh. The difference of about 15% in the time to complete fusion in relation to that calculated in a previous study may be associated with the use of a 1st order method for temporal integration by the authors. Temporal, radial and axial profiles of temperature in the tank are presented and it was verified that all are physically coherent. |
| Subject: | Engenharia mecânica Modelagem Simulação (Computadores) Energia - Armazenamento Coletores solares |
| language: | por |
| metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/49717 |
| Issue Date: | 26-Aug-2022 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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