ABSTRATO
O uso de um sistema de armazenamento de calor latente usando materiais de mudança de fase é uma maneira eficaz de armazenar energia térmica. Neste projeto, um trocador de calor de tubo em casco baseado em PCM é projetado e fabricado. O projeto se concentra no padrão de distribuição de temperatura do material de mudança de fase durante o processo de carga e descarga, os resultados são obtidos experimentalmente. A cera de parafina tem sido usada como material de mudança de fase. Este tipo de sistema de armazenamento de energia térmica pode ser usado como um meio para armazenar energia e pode ser usado posteriormente.
INTRODUÇÃO
O aumento contínuo no nível de emissões de gases de efeito estufa e o aumento nos preços dos combustíveis são as principais forças motrizes por trás dos esforços para utilizar mais efetivamente várias fontes de energia renovável. Em muitas partes do mundo, a radiação solar direta é considerada uma das fontes de energia mais promissoras. Uma das opções é desenvolver dispositivos de armazenamento de energia, que são tão importantes quanto desenvolver novas fontes de energia. O armazenamento de energia em formas adequadas, que podem ser convencionalmente convertidas na forma necessária, é um desafio atual para os tecnólogos. O uso de um sistema de armazenamento de calor latente usando materiais de mudança de fase (PCMs) é uma maneira eficaz de armazenar energia térmica e tem as vantagens da alta densidade de armazenamento de energia e da natureza isotérmica do processo de armazenamento. Há um grande número de PCMs que derretem e solidificam em uma ampla faixa de temperaturas, tornando-os atraentes em várias aplicações. O projeto inclui o teste de um pequeno trocador de calor, a fim de estabelecer a eficácia do uso de cera de parafina como um material de mudança de fase adequado. A cera de parafina é incorporada no trocador de calor, que atua como dispositivo de armazenamento de energia térmica. Este dispositivo será então testado em um equipamento de teste para aquecimento de água e outras aplicações.
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 água. O dispositivo de armazenamento de energia térmica atuará como um dispositivo de armazenamento de energia de curto prazo.
CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL
PCM em aquecedor solar de água:
Trabalhando: Durante o período de luz solar, a válvula 1 é mantida aberta e a válvula 2 é mantida fechada. A água fria do tanque de armazenamento passa pelo coletor solar plano, absorvendo a energia térmica das radiações solares. Em seguida, passa pelo trocador de calor PCM, onde perde calor para o material de mudança de fase. Em seguida, volta para o tanque de armazenamento. Desta forma, o PCM ganha energia térmica que será então utilizada para aquecer água durante o período sem sol.
Durante o período sem luz solar, a válvula 1 é mantida fechada e a válvula 2 é mantida aberta. A água fria do tanque de armazenamento passa pelo trocador de calor PCM, absorvendo a energia térmica do calor armazenado no material de mudança de fase. Em seguida, volta para o tanque de armazenamento. Desta forma, a água fria é aquecida com a ajuda do calor armazenado no PCM.
Projetando trocador de calor baseado em PCM: O cálculo do trocador de calor baseado em PCM é feito nas seguintes etapas:
Quantidade de água quente necessária: Normalmente, numa casa típica, durante o período sem sol, a necessidade de água é de cerca de 3 baldes. Considerando o volume de cada balde como 20 litros, a necessidade total será de 60 litros. Contudo, para o nosso propósito experimental, consideramos o projeto de um trocador de calor para aquecer 10 kg de água. A mesma abordagem pode ser adotada para projetar um sistema de requisitos mais elevados.
Quantidade de energia térmica a ser armazenada: Durante o inverno, a temperatura média na qual a água está disponível nos tanques é de cerca de 15-20oC. A temperatura da água necessária para um banho confortável durante o inverno é de cerca de 40oC. Portanto, a quantidade de diferença de temperatura que precisamos atingir para um banho confortável é de 20-25oC.
Temperatura inicial da água Ti = 15oC
Temperatura final (desejada) da água Tf = 40oC
Tf –Ti = 25oC
Capacidade calorífica da água, Cv = 4,187 kJ/kg
Portanto, a quantidade de calor necessária para realizar a transição acima = Q
Q = mágua x (Tf –Ti) x Cv
ou seja, Q = 10 x 25 x 4,187 = 1046,75 kJ
Portanto, a quantidade de energia que precisa ser armazenada é = 1046,7 kJ
Seleção do trocador de calor adequado: Um trocador de calor tipo tubo em casco é a escolha mais simples de trocador de calor. A incorporação de material de mudança de fase também é fácil neste tipo de trocador. O material de mudança de fase é incorporado no revestimento externo do trocador de calor e o fluido de transferência de calor (HTF), que neste caso é água, flui do tubo interno.
Seleção de material de mudança de fase adequado: A seleção de um material de mudança de fase adequado é muito importante e é o requisito fundamental do nosso projeto. A cera de parafina possui alta capacidade de calor latente de 206 kJ/kg. A temperatura de transição de fase da cera é de 40oC a 50oC, o que é adequado às nossas necessidades. A mudança no volume da cera de sólida para líquida é insignificante. A cera é quimicamente estável e não afeta nenhum componente do trocador de calor. Acima de tudo, a cera está disponível a baixo custo.
armazenamento de energia térmicaCONCLUSÃO
A cera de parafina é um bom PCM para armazenamento de energia em sistema de armazenamento de calor latente. Ela tem uma faixa de temperatura de transição adequada de 45-55°C e um calor latente relativamente alto de 206 kJ/kg. Além disso, ela não exibe nenhum sub-resfriamento.
Um sistema simples de trocador de calor tubo a tubo pode ser usado para armazenamento de energia com tempos razoáveis de carga e descarga. O derretimento ocorreu mais no topo e mais próximo do tubo interno. A solidificação foi rápida no ponto mais próximo do tubo interno que transportava o fluido de transferência de calor.
O arranjo dado pode ser usado para armazenar energia térmica em aplicações de aquecimento solar de água. O custo para incorporar o sistema também é muito econômico. O objetivo principal de usar cera de parafina como um material PCM foi experimentado com sucesso. Este projeto é altamente viável e mais do que a viabilidade, este projeto pode superar a crise energética em maior extensão.
