ABSTRACTO
El uso de un sistema de almacenamiento de calor latente utilizando materiales de cambio de fase es una forma eficaz de almacenar energía térmica. En este proyecto, se diseña y fabrica un intercambiador de calor de tubo en carcasa basado en PCM. El proyecto se centra en el patrón de distribución de temperatura del material de cambio de fase durante el proceso de carga y descarga, los resultados se obtienen de forma experimental. Se ha utilizado cera de parafina como material de cambio de fase. Este tipo de sistema de almacenamiento de energía térmica se puede utilizar como medio para almacenar energía y se puede utilizar posteriormente.
INTRODUCCIÓN
El continuo aumento del nivel de emisiones de gases de efecto invernadero y el aumento de los precios de los combustibles son las principales fuerzas impulsoras de los esfuerzos por utilizar de forma más eficaz diversas fuentes de energía renovables. En muchas partes del mundo, la radiación solar directa se considera una de las fuentes de energía más prometedoras. Una opción es desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía, que son tan importantes como el desarrollo de nuevas fuentes de energía. Un desafío actual para los tecnólogos es almacenar energía en formas adecuadas que puedan convertirse convencionalmente en la forma necesaria. El uso de un sistema de almacenamiento de calor latente que utiliza materiales de cambio de fase (PCM) es una forma eficaz de almacenar energía térmica y tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento de energía y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. Hay una gran cantidad de PCM que se funden y solidifican en un amplio rango de temperaturas, lo que los hace atractivos en una variedad de aplicaciones. El proyecto incluye probar un pequeño intercambiador de calor para establecer la efectividad del uso de cera de parafina como material de cambio de fase adecuado. Se incorpora cera de parafina al intercambiador de calor, que actúa como dispositivo de almacenamiento de energía térmica. Luego, este dispositivo se probará en un banco de pruebas para calentamiento de agua y otras aplicaciones.
Objetivo: O objetivo deste projeto é projetar e fabricar um tubo em tubo, trocador de calor baseado em material de mudança de fase (PCM), que pode atuar como um dispositivo de armazenamento de energia térmica e, portanto, pode ser incorporado em aquecedor solar de agua. El dispositivo de almacenamiento de energía térmica actuará como un dispositivo de almacenamiento de energía a corto plazo.
CONFIGURACIÓN EXPERIMENTAL
PCM en calentador de agua solar:
Trabajo : Durante el período de luz solar, la válvula 1 se mantiene abierta y la válvula 2 se mantiene cerrada. El agua fría del depósito de almacenamiento pasa a través del colector solar plano y absorbe la energía térmica de la radiación solar. Luego pasa a través del intercambiador de calor PCM, donde pierde calor hacia el material de cambio de fase. Luego regresa al tanque de almacenamiento. De esta forma, el PCM gana energía térmica que luego se utilizará para calentar agua durante el período sin sol.
Durante el periodo sin luz solar, la válvula 1 se mantiene cerrada y la válvula 2 se mantiene abierta. El agua fría del tanque de almacenamiento pasa a través del intercambiador de calor PCM, absorbiendo energía térmica del calor almacenado en el material de cambio de fase. Luego regresa al tanque de almacenamiento. De esta forma, el agua fría se calienta con ayuda del calor almacenado en el PCM.
Diseño de un intercambiador de calor basado en PCM: el cálculo del intercambiador de calor basado en PCM se realiza en los siguientes pasos:
Cantidad de agua caliente necesaria: Normalmente, en una casa típica, durante el periodo sin sol, la necesidad de agua ronda los 3 cubos. Considerando que el volumen de cada balde es de 20 litros, el requerimiento total será de 60 litros. Sin embargo, para nuestro propósito experimental, consideramos el diseño de un intercambiador de calor para calentar 10 kg de agua. Se puede adoptar el mismo enfoque para diseñar un sistema con requisitos más altos.
Cantidad de energía térmica a almacenar: Durante el invierno, la temperatura media a la que está disponible el agua en los tanques es de unos 15-20ºC. La temperatura del agua necesaria para un baño confortable durante el invierno ronda los 40ºC. Por lo tanto, la diferencia de temperatura que debemos lograr para una ducha confortable es de 20-25oC.
Temperatura inicial del agua Ti = 15oC
Temperatura final (deseada) del agua Tf = 40oC
Tf-Ti = 25ºC
Capacidad calorífica del agua, Cv = 4,187 kJ/kg
Por lo tanto, la cantidad de calor necesaria para llevar a cabo la transición anterior = Q
Q = mágua x (Tf –Ti) x Cv
es decir, Q = 10 x 25 x 4,187 = 1046,75 kJ
Por lo tanto, la cantidad de energía que se necesita almacenar es = 1046,7 kJ
Selección del intercambiador de calor adecuado: un intercambiador de calor de tubo dentro de carcasa es la opción más sencilla de intercambiador de calor. La incorporación de material de cambio de fase también es sencilla en este tipo de intercambiadores. El material de cambio de fase está incrustado en la carcasa exterior del intercambiador de calor y el fluido de transferencia de calor (HTF), que en este caso es agua, fluye desde el tubo interior.
Selección de material de cambio de fase adecuado: La selección de un material de cambio de fase adecuado es muy importante y es el requisito fundamental de nuestro proyecto. La cera de parafina tiene una alta capacidad de calor latente de 206 kJ/kg. La temperatura de transición de fase de la cera es de 40oC a 50oC, lo cual es adecuado para nuestras necesidades. El cambio de volumen de la cera de sólido a líquido es insignificante. La cera es químicamente estable y no afecta a ningún componente del intercambiador de calor. Sobre todo, la cera está disponible a bajo coste.
almacenamiento de energía térmica CONCLUSIÓN
La cera de parafina es un buen PCM para el almacenamiento de energía en sistemas de almacenamiento de calor latente. Tiene un rango de temperatura de transición adecuado de 45-55°C y un calor latente relativamente alto de 206 kJ/kg. Además, no presenta ningún subenfriamiento.
Se puede utilizar un sistema simple de intercambiador de calor de tubo dentro de tubos para almacenar energía con tiempos de carga y descarga razonables. El derretimiento se produjo más en la parte superior y más cerca del tubo interior. La solidificación fue rápida en el punto más cercano al tubo interior que transportaba el fluido caloportador.
La disposición dada se puede utilizar para almacenar energía térmica en aplicaciones de calentamiento solar de agua. El coste de incorporar el sistema también es muy económico. Se ha intentado con éxito el objetivo principal de utilizar cera de parafina como material PCM. Este proyecto es altamente viable y más que factible, este proyecto puede superar en mayor medida la crisis energética.
