Feasibility of a simplified model for a latent thermal energy storage unit for integration with multiphysics systems

• Main Author: Thiago Torres Martins Rocha
• Publication Date: 2023
• Format: Doctoral thesis
• Language: eng
• Source: Repositório Institucional da UFMG
• Download full: http://hdl.handle.net/1843/63459
• topic: Latent thermal energy storage; Phase-change material; Computational fluid dynamics; Porosity constant; Effective thermal conductivity; Engenharia mecânica; Calor - Armazenamento; Energia; Porosidade; Dinâmica dos fluidos computacional; Condutividade térmica; Dinâmica dos fluidos

O objetivo deste trabalho é avaliar a adequação de um modelo simplificado para a fusão de um material com mudança de fase, verificando sua precisão e tempo de simulação. Inicialmente, um modelo matemático é formulado e resolvido com o Ansys® Fluent, sendo validado com dois conjuntos de dados experimentais, utilizando o ácido láurico. Os efeitos da alteração da constante de porosidade, das propriedades do material e de sua interação foram avaliados. Evidenciou-se que, mantendo-se a constante de porosidade de validação em outra geometria, desvios médios absolutos de até 38,0% são obtidos, enquanto esse erro pode ser reduzido para 5,7% com um ajuste adequado. Os resultados numéricos de dinâmica de fluidos computacional também foram utilizados para derivar uma condutividade térmica efetiva, para uso subsequente. Posteriormente, um modelo simplificado baseado na condução pura foi desenvolvido e implementado em linguagem Python, incluindo a convecção natural da fase líquida do material de mudança de fase através da condutividade térmica efetiva. Adotou-se uma unidade horizontal do tipo casco e tubo por ser largamente utilizada em trocadores de calor que utilizam materiais com mudança de fase. Os resultados deste modelo simplificado revelaram desvios máximo e médio absoluto de 8,17% e 4,32%, comparados ao modelo de dinâmica de fluidos computacional, e 7,43% e 1,67%, comparados aos dados experimentais, respetivamente, com uma redução de 3500 vezes no tempo de simulação. Portanto, o modelo proposto pode ser considerado viável para integração em sistemas multifísicos.