MERCOFRIO CONGRESSO DE AR CONDICIONADO, REFRIGERAÇÃO, AQUECIMENTO E VENTILAÇÃO DO MERCOSUL

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1 MERCOFRIO CONGRESSO DE AR CONDICIONADO, REFRIGERAÇÃO, AQUECIMENTO E VENTILAÇÃO DO MERCOSUL UM ESTUDO PARAMÉTRICO DA SOLIDIFICAÇÃO COMPLETA EM CÁPSULAS CI- LINDRICA E ESFÉRICA Kamal Abdel Radi Ismail kamal@fem.unicamp.br Raykleison Igor dos Reis Moraes raykleison@fem.unicamp.br Universidade Estadual de Campinas, Departamento de Energia Térmica e Fluidos -DETF. A3401- Termoacumulação Resumo. O objetivo deste artigo é investigar o efeito e a eficiência de diferentes geometrias para uso em encapsulamentos do PCM para sistemas de armazenamento. O parâmetro mais importante neste caso é o tempo para solidificação completa, baseado em qual decisão será adequada ou não para o uso em uma respectiva aplicação. As cápsulas usadas foram sujeitas a diferentes temperaturas de trabalho e diferentes PCM. O material e as dimensões das cápsulas foram variados. A temperatura de trabalho foram variadas de 5 a 25 C, o diâmetro das cápsulas esféricas usadas variaram entre 35 a 131 mm. Os materiais das cápsulas usadas foram vidro, plástico e latas de refrigerantes. Os resultados são apresentados e discutidos. Palavras-chave: Solidificação em cápsulas, PCM, sistema de armazenamento térmico, calor latente. 1. INTRODUÇÃO O conteúdo de resíduos urbanos, nos últimos 40 anos mudou muito. Produziu-se uma variedade de embalagens plásticas, alumínio, papeis e vidros e isso vem se tornando um transtorno para as cidades. A alternativa encontrada por muitas empresas que fabricam embalagens, tem sido a reciclagem. Como forma do aproveitamento deste material, garrafas recicláveis e latas de alumínio são utilizadas para armazenar energia térmica fria. O manuseio e a facilidade de acomodação em tanques de armazenamento propiciou a ser um grande candidato no encapsulamento do material de mudança de fase que, posteriormente, é utilizado em sistemas de refrigeração e ar condicionado para ambientes. Vários trabalhos apresentados realçam a grande importância de um adequado e cuidadoso controle no projeto e na aplicação de bancos de gelo para os casos reais. Enquanto são reduzidas as demandas instantâneas das horas de pico, algumas instalações em funcionamento mostram um incremento significativo no consumo anual de energia. Estes inconvenientes podem ser evitados desde que os projetistas utilizem todas as características tecnológicas oferecidas por um armazenador de bancos de gelo. Mostram que com uma integração completa do sistema arquitetônico do edifício, poderia se reduzir substancialmente o consumo de energia, reduzindo os picos de demanda, os custos de operação e também a redução dos impactos no meio ambiente pela utilização de sistemas mecânicos, Ismail (1998). O processo de mudança de fase pode ser uma excelente ferramenta para

2 absorver ou descarregar grandes quantidades de energia térmica, com pouca temperatura. O método de armazenamento de calor fornecem mais alta energia armazenada por densidade com pequenas temperaturas quando comparadas com o método de armazenamento por calor sensível. Entretanto, dificuldades práticas geralmente aparecem na aplicação do método do calor latente, devido à baixa condutividade térmica, mudança de densidade, estabilidade das propriedades sujeito a estender os ciclos e algumas vezes segregar a fase e sub resfriar o material de mudança de fase, Farid et al (2004). Yuksel, Avci, Kilic (2006) apresentaram um modelo para o armazenamento de energia térmica, avaliando a variação de temperatura e o tempo de armazenamento em geometrias esféricas. Eles, também, investigaram o efeito do fluido circulante no tempo de carregamento, a variação de temperatura no centro da cápsula esférica. Ismail, Henríquez e Silva (2003), apresentaram um modelo e a solução numérica baseado em diferenças finitas para a solidificação do PCM em um recipiente esférico, sujeito à condição de contorno convectivo na superfície externa. Em outro trabalho, Ismail e Henríquez (2000), apresentaram um modelo numérico simplificado unidimensional transiente para simular um sistema de armazenamento composto por cápsulas esféricas cheias de PCM colocadas dentro de um tanque cilíndrico cheio com o fluido de trabalho circulante para a carga e descarga. Eames e Adref (2002), utilizaram equações semi-empíricas que permitem prever a massa de gelo dentro de uma cápsula esférica em algum tempo durante o processo de resfriamento ou fusão. No entanto, o método também foi usado para determinar a posição da interface sólido-liquido durante o processo de resfriamento. Bilir e Ilken (2005) investigaram o problema da frente de solidificação do material de mudança de fase em encapsulamentos esféricos e cilíndricos com condições de contorno de terceira espécie. No entanto, o problema foi resolvido numericamente usando o método das entalpias com aproximação em volumes de controle. Wei et al (2005) apresentaram um estudo numérico e experimental do PCM em várias geometrias (esféricas, cilíndricas, placa e tubos). Além disso, foram investigados os efeitos do diâmetro da esfera, espessura da cápsula e a fração de vazio no desempenho dos sistemas de armazenamento de calor. Koizumi (2004) investigou experimentalmente e esclareceram o desempenho da transferência de calor na forma temporal e espacial de uma cápsula com paredes isotérmicas. Os resultados experimentais foram atingidos usando o ar com número de Grashof e número de Reynolds acima de Cho e Choi (2000) investigaram a característica térmica da parafina em cápsulas esféricas durante o processo de solidificação e fusão. O estudo mostrou que a temperatura de mudança de fase da parafina é diferente durante o processo de fusão e solidificação, devido à diferença entre a remoção de calor e a energia de solidificação. Os resultados apresentados neste trabalho mostram o avanço do tempo de solidificação completa em função da temperatura do banho, diâmetros das esferas e o tipo de PCM utilizado. Os resultados foram discutidos e comentados.

3 2. MATERIAIS E MÉTODOS O modelo esquemático da bancada de teste é mostrado na Figura 1. O tanque de aço inox foi isolado termicamente com placas de isopor de 50 mm. As dimensões do tanque são 350x 330x 280mm. O dispositivo experimental é composto por seções: seção de teste, seção de resfriamento: fluido de transferência, tanque de baixa temperatura, banho de temperatura controlada; seção de observação; e por último a seção de aquisição de dados. A cápsula esférica é cheia com material de mudança de fase (água ou polietilenoglicol). Quatro termopares tipo T são posicionados. Um situado na superfície externa da esfera para medir a temperatura local, outro na superfície interna e um no centro da esfera em contato com o PCM e por ultimo um no fluido de transferência. O mesmo procedimento foi feito nos recipientes recicláveis. As temperaturas foram captadas com um intervalo de aquisição dos dados ou espaços de amostras de 60s. Figura 1- Modelo esquemático. 1. Sistema de aquisição de dados, 2. Termopares, 3. Cápsula esférica, 4. Válvula solenóide, 5. Evaporador, 6. Termostato 2.1 Procedimento de teste para o experimento de solidificação A cápsula foi preenchida com PCM, água ou água-polietilenoglicol. Em seguida, o fluido de transferência é resfriado para uma temperatura de trabalho pré-estabelecida. Após atingir esta temperatura, a cápsula é imersa no fluido de transferência. A temperatura ao longo do tempo começa a cair até chegar na temperatura de mudança de fase T m. O experimento foi repetido com várias cápsulas de diâmetros 35, 76, 106, 131mm, nas temperaturas de 5 C à 25 C. O experimento é finalizado quando a temperatura no centro da cápsula esférica ou cilíndrica atinge um valor constante, temperatura de mudança de fase. O tempo consumido até atingir esta condição é o tempo de solidificação completa. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nesta seção são apresentados e discutidos os resultados experimentais feitos em cápsulas cilíndricas e esféricas com material de mudança de fase (PCM). As propriedades termofísicas do material de mudança de fase (água), a condutividade térmica das cápsulas são dados nas Tabela 1 e Tabela 2. Para o polietilenoglicol os dados das propriedades termofísicas não são fornecidos na literatura especializada, mas seu uso mostrou um grande potencial em sistemas de baixa temperatura.

4 Tabela 1. Propriedades termofísicas da água. Condutividade térmica (fase liquida) 0.56 W/m.K Condutividade térmica (fase sólida) 2.25 W/m.K Calor especifico (fase liquida) 4210 J/kg.K Calor especifico (fase sólida) 2040 J/kg.K Calor latente J/kg Densidade (fase liquida) kg/m 3 Densidade (fase sólida) kg/m 3 Tabela 2. Condutividade térmica dos materiais. Material da cápsula Plástico Vidro κ 0.35 W/m.K 1.4 W/m.K 3.1 Efeito da variação da quantidade de polietilenoglicol no PCM Os testes realizados usando encapsulados esféricos de plástico e de vidro com diferentes concentrações são mostrados na Figura 2. A variação da temperatura de mudança de fase da mistura foi linear com a quantidade de polietilenoglicol que é feita nos testes. Esta relação de linearidade é útil para avaliar rapidamente a temperatura de mudança de fase de novas misturas. Figura 2- Temperatura de mudança de fase em função da concentração de polietilenoglicol para diferentes materiais das cápsulas Na Figura 3 é apresentado o feito da variação do PCM no tempo de solidificação completa. No presente caso, a concentração foi variada enquanto as outras variáveis do processo mantiveram-se constantes. A quantidade de polietilenoglicol na mistura testada foi de 7.5, 15, 30 e 50%. Foi observado que quando a temperatura da superfície é reduzida o tempo de solidificação completa diminui. Da forma inversa, aumentando a quantidade de polietilenoglicol na água, o tempo de solidificação completa aumenta em aproximadamente 30000s.

5 Figura 3- Variação do tempo para solidificação completa na temperatura de banho para deferentes concentrações de polietilenoglicol Na Figura 4 observa-se que a variação do tempo de solidificação completa foi afetada pela temperatura do fluido de trabalho para duas quantidades de polietilenoglicol, quando colocadas no interior da cápsula de vidro. Figura 4- Variação do tempo para solidificação completa na temperatura de banho para deferentes concentrações de polietilenoglicol 3.2 Efeito da variação do tamanho da cápsula esférica A Figura 5 mostra o efeito da variação do tamanho da cápsula esférica no tempo de solidificação completa. Foi verificado que o tempo de solidificação aumenta drasticamente com o aumento da cápsula. No caso de cápsulas esféricas de 76 mm de diâmetro, a variação do tempo de solidificação foi relativamente pequena para uma determinada faixa de temperatura do fluido de trabalho. A transferência de calor dominante caudada neste caso é a condução. O fluxo convectivo cresce for-

6 temente com o aumento do tamanho da cápsula, predominando a transferência de calor por convecção. Figura 5- Variação do tempo para solidificação completa no diâmetro para diferentes temperaturas de banho. 3.3 Efeito da temperatura do fluido de trabalho A Figura 6 mostra um resumo do resultado experimental para quatro cápsulas de diferentes tamanhos, sujeitas a diferentes temperaturas de fluido de trabalho. Observa-se que o tempo de solidificação completa foi marginalmente afetado pela temperatura do fluido de trabalho ou quando o tamanho da cápsula está abaixo de 76 mm de diâmetro. Em outras palavras, o efeito no tempo de solidificação completa é bastante acentuado em cápsulas de 106 e 131 mm de diâmetro. Este fenômeno foi verificado para baixas temperaturas utilizadas nos testes experimentais. Figura 6- Variação do tempo para solidificação completa na temperatura de banho para diferentes diâmetros

7 3.4 Efeito do material da cápsula esférica O estudo feito com o material de vidro e plástico foi realizado a partir de algumas condições de trabalho, tais como: PCM e a temperatura do fluido. A Figura 7 mostra o efeito da variação de dois parâmetros: efeito do material da cápsula no tempo de solidificação e a influencia do PCM. Foi observado que o tempo de solidificação com o vidro foi menor que com o plástico. Isso é bastante e- vidente por causa da condutividade térmica do material. Testes realizados com cápsulas metálicas confirmaram os resultados. Figura 7- Tempo para solidificação completa em função da concentração de polietilenoglicol para diferentes matérias das cápsulas. A Figura 8 mostra o efeito da condutividade térmica do material. Como pode ser observado o tempo de solidificação aumenta com o aumento da temperatura do fluido de trabalho. Figura 8- Efeito da condutividade térmica no tempo de solidificação completa

8 3.5 Cápsula cilíndrica (Material reciclável) As Figuras 9 e 10 mostram a temperatura no centro da cápsula. Os resultados indicaram que a mudança na temperatura de banho e a quantidade de polietilenoglicol, também, influenciam no tempo de solidificação, devido ao avanço da camada solidificada no interior da cápsula. Observouse que há um decaimento bastante rápido da temperatura que corresponde a uma zona de super resfriamento do PCM no interior da cápsula cilíndrica. Figura 9- Variação da temperatura no tempo para solidificação completa Figura 10- Variação da temperatura no tempo para solidificação completa Na Figura 11 mostra a variação do tempo de solidificação com a concentração de polietilenoglicol. Como pode-se verificar, o aumento da quantidade de polietilenoglicol aumenta o tempo de solidificação, como já tinha sido observado em resultados anteriores com as cápsulas esféricas.

9 Figura 11- Variação do tempo para solidificação na concentração de polietilenoglicol 4. CONCLUSÃO O tempo de solidificação completa representa um dos parâmetros mais importantes na operação dos armazenadores de calor latente, portanto como os resultados do presente trabalho foi possível apresentar as seguintes conclusões: O aumento da concentração de polietilenoglicol na mistura conduz a redução da temperatura de mudança de fase, alcançando 15 C. Conseqüentemente o aumento da concentração de polietilenoglicol no PCM, aumenta o tempo de solidificação completa. O efeito do tamanho da cápsula influencia no aumento do tempo de solidificação completa, devido a maior massa a ser solidificada no interior da cápsula. Para cápsulas de 76 mm de diâmetro o aumento é relativamente pequeno, predominando a transferência de calor por condução. Mantendo-se o tamanho da cápsula e mudando a condutividade térmica, observou-se um forte efeito no tempo de solidificação do PCM. Com o aumento do tamanho da cápsula para 131 mm, a convecção na região liquida se desloca em direção a frente de solidificação, aumentando o tempo de solidificação completa em até 60000s. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES pela bolsa de pesquisa do co-autor para execução deste trabalho e a Douglas pela grande gentileza de nos fornecer as esferas de plástico. REFERÊNCIAS Bilir, Levent. and Ilken, Zafer. Total solidification time of liquid phase material enclosed in cylindrical/spherical containers. Applied thermal engineering, vol. 25, pp , 2005.

10 Cho, Keumnam. and Choi, S.H. Thermal characteristics of paraffin in a spherical capsule during freezing and melting processes. International journal of heat and mass transfer, vol. 43, pp , Eames, Ian W. and Adref, Kamel T. Freezing and melting of water in spherical enclosures of the type used in thermal (ice) storage systems. Applied thermal engineering, vol. 22, pp , Farid, Mohammed M., Khudhair, Amar M., Razack, Siddique Ali K. and Al-Hallaj, Said. A review on phase change storage: materials and applications. Energy conversion e management, vol. 45, pp , Ismail, K.A.R., Henriquez, J.R. and Silva, T.M. da. A parametric study on ice formation inside a spherical capsule. International Journal of thermal sciences, vol. 42, pp , Ismail, K.A.R. and Henriquez, J.R. Solidification of pcm inside a spherical capsule. Energy conversion e management, vol. 41, pp , Ismail. Kamal A.R., 1998, Bancos de gelo: Fundamentos e aplicações. Koizumi, H. Time and spatial heat transfer performance around and isothermally heat sphere placed in a uniform downwardly directed flow (in relation to the anhancement of latent heat storage rate in a spherical capsule). Applied thermal engineering, vol. 24, pp , Wei, Jinjia. and Kawagushi, Yasuo. Satoshi Hirano, Hiromi Takeuchi, Study on a PCM heat storage system for rapid heat supply. Applied thermal engineering, vol. 25, pp , Yuksel, Numan., Avci, Atakan. and Klic, Muhsin. A model for latent heat energy storage systems. International Journal of energy research, vol. 30, pp , A PARAMETRIC STUDY OF SOLIDIFICATION IN SPHERICAL AND CYLINDRICALCAPSULES Abstract. The objective of this paper is to investigate the effectiveness and efficiency of different capsules geometries for use in encapsulating PCM for storage system. The most important parameter in this case is the time for complete solidification based upon which the final decision of the adequacy or not of the capsule for the respective application. The capsules used were subjected to different working temperatures, different PCM. The material and dimensions of the capsule were varied. The working temperature was varied from 5 to 25 C, the diameter of the spherical capsules used varied from 35 mm to 131 mm. The capsules material used glass, plastic e metal soft drink cans. The results were presented and discussed. Key words: solidification in a capsule, PCM, thermal storage system, latent heat.