Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/59283
Type: Dissertação
Title: Análise numérica do desempenho termodinâmico de regeneradores barocalóricos ativos utilizando borracha PDMS para aplicações em refrigeração
Other Titles: Numerical analysis of the thermodynamic performance of active barocaloric regenerators using PDMS rubber for refrigeration applications
Authors: Pedro Henrique Oliveira Faria
First Advisor: Paulo Vinicius Trevizoli
First Co-advisor: Pablo Adamoglu de Oliveira
First Referee: Alan Tihiro Dias Nakashima
Second Referee: Rudolf Huebner
Abstract: O tema central desta dissertação são os Regeneradores Barocalóricos Ativos (RBA’s) que utilizam elastômeros como refrigerante sólido, tecnologia ainda não testada experimentalmente e também pouco explorada por meio de modelos teóricos, mas que se considera ter grande potencial para ser uma alternativa à refrigeração por compressão de vapor. A pesquisa objetivou o desenvolvimento de um modelo capaz de simular o desempenho termodinâmico de um RBA utilizando a borracha PDMS como refrigerante, para então avaliar o real potencial deste dispositivo para operar como um refrigerador, bem como identificar os fatores que contribuem para o seu desempenho. Foi proposto um modelo 2D transiente de um regenerador de placas paralelas no qual cada placa é composta por uma camada de PDMS confinada entre duas paredes metálicas de aço inoxidável ou alumínio. Um escoamento oscilatório de um fluido de transferência de calor (água) entre as placas refrigera um trocador de calor frio e aquece um trocador de calor quente. O escoamento foi modelado pelas equações de conservação da massa e de Navier-Stokes de forma desacoplada do problema térmico e, com uma série de simplificações, uma solução analítica pôde ser aplicada ao problema hidrodinâmico. A transferência de calor foi modelada pela equação da energia e solucionada pelo método dos volumes finitos utilizando a solução analítica do escoamento como uma entrada. Após um estudo de refino de malha e a verificação do modelo, o desempenho termodinâmico do RBA foi simulado com diferentes vazões do fluido de trabalho, períodos, amplitudes de temperatura, parâmetros geométricos e propriedades dos materiais. Nos resultados obtidos não constam capacidades de refrigeração positivas para o RBA quando são utilizadas paredes metálicas de espessuras adequadas para suportar a pressão que ativa o efeito barocalórico (EBC). Isto se deve, principalmente, à elevada inércia térmica destas paredes, à baixa condutividade térmica do PDMS e a uma característica desfavorável das curvas experimentais de medição do EBC do PDMS. Sendo assim, esta pesquisa mostra que avanços importantes relativos às propriedades dos materiais e ao tipo de geometria do regenerador ainda são necessários para motivar o estudo experimental dos RBA’s.
Abstract: This dissertation focuses on the Active Barocaloric Regenerators (ABR's) that use elastomers as solid state coolant. This technology, not yet tested experimentally and also little explored through theoretical models, is considered to have great potential to be an alternative to vapor compression refrigeration. This research aimed to develop a model capable of simulating the thermodynamic performance of an ABR using PDMS rubber as coolant, to then evaluate the real potential of this device to operate as a refrigerator, as well as to identify the factors that contribute to its performance. A transient 2D model of a parallel plate regenerator was proposed, in which each plate is composed of a layer of PDMS confined between two stainless steel or aluminum walls. An oscillating flow of the heat transfer fluid (water) between the plates cools a cold heat exchanger and heats a hot heat exchanger. The flow was modeled by the mass conservation and Navier-Stokes equations decoupled from the thermal problem and, with a series of simplifications, an analytical solution could be applied to the hydrodynamic problem. The heat transfer was modeled by the energy equation and solved by the finite volume method using the analytical flow solution as an input. After a mesh refining study and model verification, the thermodynamic performance of the RBA was simulated with different working fluid flow rates, periods, temperature ranges, geometric parameters and material properties. When metallic walls thick enough to withstand the pressure that activates the BCE are used, no positive cooling capacities for the ABR are observed in the the results. This is mainly due to the high thermal inertia of these walls, the low thermal conductivity of the PDMS and an unfavorable characteristic of the experimental measurement curves of the BCE for PDMS. Therefore, this study shows that important advances related to the properties of the materials and the type of geometry of the regenerator are still necessary to motivate the experimental study of the ABR's.
Subject: Engenharia mecânica
Calor - Transmissão
Refrigeração
Elastômeros
Método dos volumes finitos
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/1843/59283
Issue Date: 24-Feb-2023
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