Experimental and theoretical studies of a PCM heat storage system coupled with a two-phase thermosyphon

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Valquíria Bomfim
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/235608
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Experimental and theoretical studies of a PCM heat storage system coupled with a two-phase thermosyphonEngenharia mecânicaTermossífõesCalorDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.O armazenamento térmico usando materiais de mudança de fase, ou PCMs, sofre de baixa eficiência térmica, uma vez que o material tipicamente absorve energia a altas taxas de transferência de calor, mas libera calor a taxas inferiores. Apesar de esforços recentes para melhorar o coeficiente global de transferência de calor dos sistemas de armazenamento, o problema está na natureza da mudança de fase líquido ? sólido, uma vez que o material de mudança de fase imediatamente adjacente ao trocador de calor solidifica primeiro, formando uma camada sólida com baixa condutividade térmica que isola a superfície de troca de calor do restante do material líquido. O presente trabalho investiga os estágios iniciais de liberação de calor de um PCM, para estudar a efetividade do armazenamento de calor latente como uma função da espessura de camada sólida, e define uma espessura de camada crítica além da qual a transferência de calor torna-se ineficaz. Para testar a hipótese de que a taxa máxima de transferência de calor ocorre durante a formação desta camada crítica, foi conduzido um experimento de visualização. Os experimentos usaram um termossifão bifásico como trocador de calor, carregado com refrigerante R141-b, e um recipiente cheio de naftaleno como material de mudança de fase. O evaporador do termossifão foi inserido no recipiente com naftaleno, e o condensador foi deixado exposto ao ar ambiente para visualização, e a seguir inserido em um túnel de vento para experimentos mais controlados. As temperaturas e taxas de transferência de calor foram medidas durante a operação em regime permanente e em regime transiente. Os resultados da visualização confirmaram a hipótese da camada crítica. Conforme os experimentos com o túnel de vento, correlações propostas concordaram com os dados experimentais com um erro máximo de ±25 % e um erro médio de ±13 %. Esses resultados foram considerados satisfatórios para um modelo simplificado de um fenômeno complexo de transferência de calor. Os modelos aqui propostos podem ser usados como ferramentas de projeto para materiais de mudança de fase associados a trocadores de calor, com o intuito de aumentar a eficiência energética durante a extração de calor latente e para otimizar a razão de volume para área de superfície do trocador de calor, evitando o desperdício de recursos valiosos como espaço de armazenamento, materiais de construção e energia armazenada.Abstract: Thermal energy storage using phase change materials suffers from low energy efficiency as the material typically absorbs energy at high heat transfer rates and releases energy at low heat transfer rates. Despite recent efforts to improve the storage system?s overall heat transfer coefficient, the problem lies in the nature of the liquid ? solid phase change, since the phase change material immediately adjacent to a heat exchanger solidifies first, forming a solid layer with low thermal conductivity that insulates the heat exchanger surface from the remaining liquid material. The present work investigates the early stages of PCM heat release, in order to study of the effectiveness of latent heat storage as a function of solid layer thickness, and defines a critical layer thickness beyond which heat transfer becomes too ineffective. In order to test the hypothesis that the highest discharge rates occur during the formation of this critical layer, a visualization experiment was conducted. The experiments used a closed twophase thermosyphon charged with refrigerant R141-b as the heat exchanger, and a container filled with naphthalene as the phase change material. The evaporator of the two-phase thermosyphon was inserted into the phase change material container, and the condenser was initially left exposed to ambient air for visualization, and later inserted in a wind tunnel for more controlled experiments. The temperatures and heat transfer rates were measured during both steady state operation and transient discharge. The visualization results confirmed the hypothesis of the critical layer. From the experiments with the wind tunnel, proposed correlations agreed with the experimental data within a maximum error of ±25 % and a mean error of ±13 %. These results are considered satisfactory as a simplified model for a complex heat transfer phenomenon. The models proposed here can be used as design tools for phase change materials coupled with heat exchangers, in order to improve the energy efficiency during latent heat extraction and in order to optimize the volume to surface area ratio of the heat exchanger, avoiding the waste of valuable resources such as storage room, construction materials and stored energy.Milanese, Fernando HenriqueRodríguez Cisterna, Luis HernánUniversidade Federal de Santa CatarinaFernandes, Valquíria Bomfim2022-06-13T23:16:05Z2022-06-13T23:16:05Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis168 p.| il., gráfs.application/pdf376559https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/235608engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-06-13T23:16:05Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/235608Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-06-13T23:16:05Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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