8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
ANÁLISE EXPERIMENTAL DA SOLIDIFICAÇÃO COMPLETA EM
GEOMETRIAS ESFÉRICAS.
Ismail, K.A.R*, Moraes, R.I.Rº
* Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia Térmica e
de Fluidos.
Rua Mendeleiev, 200
Cidade Universitária
13083970 - Campinas, SP - Brasil - Caixa-Postal: 6122
º Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia Térmica e
de Fluidos.
Rua Mendeleiev, 200
Cidade Universitária
13083970 - Campinas, SP - Brasil - Caixa-Postal: 6122
*e-mail: [email protected]
RESUMO
O objetivo deste trabalho é avaliar o tempo de solidificação completa de esferas comerciais disponíveis no
mercado nacional para utilização nos bancos de gelo do tipo leito fixo. Neste caso o PCM é encapsulado nas esferas
que são arranjadas no tanque armazenador. A bancada de teste é composta de um tanque cuja a temperatura é
controlada com precisão de ±1° C. As esferas em testes foram incrementadas com termopares tipo T, calibrados e
localizados no centro da esfera. Os testes foram realizados com esferas de plástico de 35, 76, 106 e 131mm de
diâmetro e de vidro para diâmetros de 106 e 131mm usando como PCM água pura e água misturada com diferentes
porcentagens de ATPEG ou polietilenoglicol nas concentrações de 3.75, 7.5, 15, 25, 30, 40 e 50%. As temperaturas
do banho foram variadas entre -5 a -25°C. Os resultados apresentados 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.
PALAVRAS CHAVES: Tempo de solidificação completa, temperatura de mudança de fase, geometria esférica,
PCM.
Código 735
INTRODUÇÃO
Muitos estudos sobre armazenamento de energia térmica e suas aplicações, tem sido relatados na literatura.
Diversas teorias e investigações experimentais são desenvolvidas para modelar o desempenho térmico das unidades
de armazenamento e materiais de mudança de fase PCM, investigações sobre novas geometrias, novos conceitos para
armazenamento e transferência de energia para o melhoramento da viabilidade tecnológica. 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 [11]. O
processo de mudança de fase pode ser uma excelente ferramenta para 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. Entretando, 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 [1]. Yuksel, Avci,
Kilic [2] 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 e Henríquez [3],
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 [4], 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 [5], 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 [6] 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 [7] 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 vácuo no desempenho dos sistemas de armazenamento de calor. Koizumi [8] 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
numero de Reynolds acima de 1800. Cho e Choi [9] 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. Formim e Saitoh [10] apresentaram um modelo completo em cápsulas esféricas e
resolveram numericamente utilizando o método da grade fixa. No presente estudo foram investigados vários
parâmetros, que influenciam o processo de mudança tais como tipo de PCM, temperatura do fluido de trabalho,
temperatura inicial do PCM, vazão mássica do fluido de trabalho. Os parâmetros que aqui são investigados são: a
vazão mássica, tipo de PCM, temperatura do fluido de trabalho, diâmetro da cápsula esférica. A influencia de tais
parâmetros sobre o tempo de solidificação foi priorizado neste estudo.
ANÁLISE EXPERIMENTAL
Aparato experimental
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 50mm. 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 ATPEG). Quatro termopares tipo T são
posicionados. Um situados na superficie externa da esfera para medir a temperatura local, um outro na superfície
interna e um no centro da esfera em contato com PCM e um no banho. As temperaturas medidas foram captadas
através do sistema de aquisição de dados que, em uma taxa amostral de 30s, é colhida a temperatura e armazenada no
hardware.
Figura 1: Modelo esquemático. 1. Sistema de aquisição de dados, 2. Termopares,
3. Cápsula esférica, 4. Válvula solenóide, 5. Evaporador, 6. Termostato
Procedimento de teste para o experimento de solidificação
A cápsula foi preenchida com PCM, água ou ATPEG. 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 Tm . 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 atinge um valor constante,
temperatura de mudança de fase. O tempo consumido até atingir esta condição é o tempo de solidificação completa.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Efeito da variação da temperatura no centro da esfera com o tempo
A variação da temperatura no centro da cápsula esférica, imersa no fluido de trabalho com o tempo foi
investigado. O processo de solidificação dentro da cápsula esférica contendo PCM foi observado. Os resultados
experimentais foram obtidos para diferentes temperaturas de banho. Os resultados das medidas experimentais são
mostrados nas Figuras 2, 3, 4, 5 e 6. As curvas indicaram um grau de super resfriamento no estagio inicial da
solidificação em um curto espaço de tempo. Em seguida, as curvas alcançaram a temperatura de mudança de fase
Tm . A variação de temperatura iniciou com um ponto de super resfriamento, mostrando-se uma variação
aproximadamente linear.
Figura 2. Efeito da variação da temperatura no centro da esfera com temperatura do fluido de -18°C.
Figura 3. Efeito da variação da temperatura no centro da esfera com temperatura do fluido de -12°C.
Figura 4. Efeito da variação da temperatura no centro da esfera com temperatura do fluido de -10°C.
Figura 5. Efeito da variação da temperatura no centro da esfera com temperatura do fluido de -25°C.
Figura 6. Efeito da variação da temperatura no centro da esfera com temperatura do fluido de -25°C.
Efeito do PCM no tempo de solidificação
A Figura 7 mostra a variação do comportamento térmico em função do tipo de PCM para o caso de agua e solução
de agua mais ATPEG. Como pode ser visto a adição de ATPEG reduz o tempo de solidificação completa. Também
pode verificar que a redução da temperatura do banho reduz o tempo de solidificação. Este comportamento foi
verificado em todas as misturas de agua com ATPEG. Entretanto, é importante do ponto de vista de aplicação ter
temperaturas adequadamente altas, que provocam solidificação completa, para conseguir operar o sistema de
refrigeração com boa eficiencia.
Figura 7. Efeito da concentração de ATPEG no tempo de solidificação.
Efeito da variação do diâmetro da cápsula esférica no tempo de solidificação
Na Figura 8, mostra o efeito do diâmetro da cápsula esférica sobre o tempo de solidificação completa, indicando
que o tempo aumenta de forma não linear com o aumento de diâmetro da cápsula de plástico, devido ao aumento da
resistência térmica interna com o aumento da camada solidificada.
Figura 8. Efeito do tamanho da cápsula esférica no tempo de solidificação.
Efeito da porcentagem do PCM na temperatura de solidificação
Na Figura 9 mostra o efeito da variação da porcentagem de ATPEG no PCM sobre a temperatura de solidificação
da mistura. Como pode ser visto o aumento da porcentagem de ATPEG reduz a temperatura de solidificação do
PCM. Esta variação da temperatura efetiva de solidificação com a porcentagem de ATPEG é quase linear. No
entanto, esta relação pode ser muito interessante no dimensionamento de sistemas reais onde é necessário conhecer a
temperatura de solidificação para prever o comportamento térmico do armazenador de calor latente.
Figura 9. Efeito da variação da concentração de ATPEG na temperatura de solidificação.
CONCLUSÃO
O tempo de solidificação completa representa um dos parâmetros mais importantes na operação dos
armazenadores de calor latente. Neste estudo foram investigados os efeitos dos parâmetros operacionais e
geométricos sobre o tempo de solidificação completa, visando sempre que este tempo não pode ultrapassar oito
horas. Foi confirmado pelas medidas experimentais que o tempo de solidificação aumenta com o aumento do
diâmetro da cápsula, aumento da temperatura do banho (temperatura de trabalho) e também com o aumento da
porcentagem de ATPEG na água.
REFERÊNCIAS
1.
Mohammed M. Farid, Amar M. Khudhair, Siddique Ali K. Razack, Said Al-Hallaj, A review on phase change
storage: materials and applications. Energy conversion e management, vol. 45, pp. 1597-1615, 2004.
2.
Numan Yuksel, Atakan Avci e Muhsin Klic, A model for latent heat energy storage systems. International
Journal of energy research, vol. 30, pp. 1146-1157, 2006.
3.
K.A.R.Ismail, J.R. Henriquez e T.M. da Silva, A parametric study on ice formation inside a spherical capsule.
International Journal of thermal sciences, vol. 42, pp. 881-887, 2003.
4.
Ian W. Eames, Kamel T. Adref, Freezing and melting of water in spherical enclosures of the type used in
thermal (ice) storage systems. Applied thermal engineering, vol. 22, pp. 733-745, 2002.
5.
K.A.R.Ismail, J.R. Henriquez, Solidification of pcm inside a spherical capsule. Energy conversion e
management, vol. 41, pp. 173-187, 2000.
6.
Levent Bilir, Zafer Ilken, Total solidification time of liquid phase material enclosed in cylindrical/spherical
containers. Applied thermal engineering, vol. 25, pp. 1488-1502, 2005.
7.
Jinjia Wei, Yasuo Kawagushi, Satoshi Hirano, Hiromi Takeuchi, Study on a PCM heat storage system for rapid
heat supply. Applied thermal engineering, vol. 25, pp. 2903-2920, 2005.
8.
H. Koizumi, 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. 2583-2600, 2004.
9.
Keumnam Cho, S.H Choi, Thermal characteristics of paraffin in a spherical capsule during freezing and melting
processes. International journal of heat and mass transfer, vol. 43, pp. 3183-3196, 2000.
10. S.A Formin, T.S. Saitoh, Melting of unfixed material in spherical capsule with non-isothermal wall
International journal of heat and mass transfer, vol. 43, pp. 4197-4205, 1999.
11. Kamal A.R Ismail. 1998. Bancos de gelo: Fundamentos e aplicações.
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 cápsulas esféricas de plástico.
UNIDADES E NOMENCLATURAS
PCM material de mudança de Fase
ATPEG polietilenoglicol