Estudo numérico do processo de mudança de fase de PCM em cavidades esféricas

• Main Author: Faistauer, Fábio
• Other Authors: http://lattes.cnpq.br/2395367769553765
• Language: Portuguese
• Published: Universidade do Vale do Rio dos Sinos 2016
• Subjects: ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica; Materiais de mudança de fase; CFD; Armazenamento térmico; Esferas; PCM; Thermal storage; Spheres
• Online Access: http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/5983

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2016-12-20T15:48:37Z No. of bitstreams: 1 Fábio Faistauer_.pdf: 2685236 bytes, checksum: 4421428b568b50c93c4b5bc55df13256 (MD5) === Made available in DSpace on 2016-12-20T15:48:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fábio Faistauer_.pdf: 2685236 bytes, checksum: 4421428b568b50c93c4b5bc55df13256 (MD5) Previous issue date: 2016-08-16 === FAPERGS - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul === Este trabalho apresenta um estudo numérico do processo de mudança de fase de PCM (Phase Change Material ou Materiais de Troca de Fase) acondicionados em cavidades esféricas. O modelo numérico é bidimensional e composto pelas equações de conservação da massa, da quantidade de movimento, de energia e da fração volumétrica, modeladas através da técnica entalpia-porosidade. A malha computacional é do tipo hexaédrica com refinamentos nas regiões que apresentam os maiores gradientes térmicos e fluidodinâmicos. O modelo numérico foi validado com resultados experimentais e numéricos da literatura. São estudados casos de fusão de PCM RT 35, RT 55 e RT 82 em cavidade esférica com temperatura constante na parede. Os diâmetros das esferas são de 40, 60, 80 e 100 mm e as temperaturas impostas à parede são de 10, 20 e 30°C acima da temperatura de fusão dos PCM. São apresentados resultados de fração líquida e de fluxo de calor resultante dos 36 casos estudados. A pesquisa mostra que PCM com propriedades semelhantes apresentam o mesmo comportamento para fração líquida e fluxo de calor, independentemente de seu ponto de fusão. O aumento da temperatura na parede da esfera é responsável por maiores fluxos de calor e pela diminuição do tempo de obtenção da fração líquida. Comparando as diferenças de temperaturas de 10, 20 e 30°C, a melhor redução percentual do tempo de fusão foi obtida para a temperatura de 20°C. A pesquisa também mostra que o aumento do diâmetro não influencia o fluxo de calor inicial, porém aumentam o tempo de fusão do PCM. Este tempo de fusão pode ser relacionado com o comprimento característico da esfera, independente das temperaturas impostas à parede. Os estudos mostram também que a maior quantidade de armazenamento térmico através do PCM líquido é obtida com a combinação dos maiores diâmetros com as maiores temperaturas. Para obter o cálculo da fração líquida em função do tempo através de uma correlação, os parâmetros envolvidos foram calculados através dos números de Fourier, Stefan, Grashof e Prandtl. === This paper presents a numerical study of the phenomena that occur in the use of PCM (Phase Change Materials) packed in spherical cavities. The numerical simulation was performed with commercial software ANSYS-FLUENT. The numerical model is two-dimensional and consists of the mass conservation equations of momentum, energy and volume fraction, modeled by enthalpy-porosity technique. The computational mesh is the hexahedral type with refinements in regions with the highest thermal and fluid dynamic gradients. The numerical model was validated with experimental and numerical results of literature. It was studied melting cases of PCM RT 35, RT 55 and RT 82 in spherical cavities with constant temperature on the wall. The diameters of the spheres were 40, 60, 80 and 100 mm and temperatures imposed on the wall were 10, 20 and 30°C, above the melting temperature of the PCM. It was presented results of melt fraction and heat flow of 36 cases studied. Research shows that PCM with similar properties have the same behavior for melt fraction and heat flow, regardless of its melting temperature. The temperature rise in the sphere wall is responsible for higher heat flows and by decreasing the melt fraction obtained in time. The best percentage reduction in the melting time was obtained with 20°C of temperature differences. Research also shows that the increase in diameter does not influence the heat flux, but increases the PCM melting time. This melting time can be related to the sphere characteristic length, regardless of the temperatures imposed on the wall. The studies also show that the largest quantity of thermal storage through the liquid PCM is obtained by combining the larger diameters with higher temperatures. The main parameters involved in the phase change process are correlated through numbers of Fourier, Stefan, Grashof and Prandtl for the calculation of the liquid fraction as a function of time. To calculate the liquid fraction as a function of time through a correlation, the parameters involved were calculated using the Fourier, Stefan, Grashof and Prandtl numbers.