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Título: Caracterização de bioPCMS para controle de demanda térmica predial
Autor(es): Lira, Lucas Fernandes de Lima
Orientador(es): Brasil Júnior, Antônio César Pinho
Assunto: Biomaterial
Propriedades termofísicas
Comportamento térmico
Óleo de coco
Materiais de mudança de fase
Transferência de calor
Armazenamento térmico de energia
Data de publicação: 31-Jan-2019
Referência: LIRA, Lucas Fernandes de Lima. Caracterização de bioPCMS para controle de demanda térmica predial. 2018. 116 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2018.
Resumo: Este trabalho apresenta pesquisa pioneira voltada para a redução de consumo energético em edificações utilizando materiais provenientes da flora e fauna brasileira, os bioPCMs. Nos capítulos iniciais, características identificadas como essenciais a um material de mudança de fase são confrontadas contra aquelas encontradas em ácidos graxos e derivados, permitindo o entendimento do potencial destes como alternativa aos materiais tradicionais. Observou-se, nesse momento, que bioPCMs são capazes de atuar de forma semelhante a materiais de mudança de fase tradicionais, porém reduzindo consideravelmente a pegada carbônica associada à sua produção. Há, porém, uma carência local de metodologias e aparatos capazes de identificar possíveis bioPCMs, ponto diretamente abordado pela pesquisa. Desenvolveu-se, assim, uma rede de procedimentos que se inicia pela caracterização do material, que por sua vez é submetido a uma análise de transferência de calor e, finalmente, a uma simulação de operação em condições de uso. A análise das propriedades termo-físicas foi realizada para cinco candidatos, segundo procedimento conhecido como T-history. Os resultados foram satisfatórios, permitindo que parâmetros como calor latente de fusão, calor específico, temperatura de mudança de fase, temperatura de sub-resfriamento e condutividade fossem caracterizados. Identificou-se, ali, o óleo de coco como o material com maior potencial para as aplicações pretendidas. Para o estudo de transferência de calor, optou-se por analisar um caso baseado no problema clássico de Stefan, onde o material é armazenado em um reservatório retangular. Desenvolvidos a partir de técnicas utilizadas por outros autores, como Viskanta, Campbell e Kamkari, a metodologia e aparato experimental apresentados permitiram a observação e caracterização do fronte de fusão e solidificação do material de mudança de fase.Finalmente, o óleo de coco foi inserido em um sistema de carregamento e descarregamento energético que simula condição de operação similar ao encontrado em aplicações de resfriamento noturno em locais de clima tropical de savana. Ao final do processo, observou-se que, apesar de cada estágio anterior ser capaz de cumprir seu propósito individual, seja ele de caracterização do material ou do processo de transferência de calor, apenas ao combinar os resultados que a compreensão plena da aplicabilidade do elemento estudado foi obtida. Por exemplo, normalmente estudos de caracterização limitam-se a definir dados como temperatura de fusão ou calor latente de mudança de fase. Apesar de importante, observou-se que esses dados poderiam levar a problemas de dimensionamento de um sistema contendo ácidos graxos, por desconsiderar o impacto que o sub-resfriamento teria na capacidade e velocidade de armazenamento energético.
Abstract: In the current thesis, a research on the identification and characterization of phase change materials (PCMs) produced from renewable sources, the bioPCMs, is introduced. The document dedicates its initial chapters to the bibliographic review on the study of PCMs used for building thermal demand control. The characteristics identified as essential to a PCM are compared against those found in fatty acids and derivatives, allowing an understanding of their potential as an alternative to traditional materials. It was observed that bioPCMs are able to act similarly to paraffins. Additionally, bioPCMs can be extracted from pre-existing production chains, as a by-product or as waste, greatly reducing the environmental impact of their adoption. There is, however, a local lack of methodologies and devices capable of identifying possible bioPCMs, a point directly addressed by the research. A chain of procedures was developed that begins with the characterization of the material, which in turn is subjected to a heat transfer analysis and, finally, to a practical simulation of operational conditions. The analysis of the thermo-physical properties was performed for seven candidates, according to a procedure known as T-history. The results were satisfactory, allowing parameters such as enthalpy of fusion, specific heat, melting temperature, sub-cooling temperature and conductivity to be characterized. For the study of heat transfer, a classical Stefan problem, where the material is stored in a rectangular container,was chosen. Based on techniques used by other authors such as Viskanta, Campbell and Kamkari, the developed methodology and experimental apparatus allowed the characterization of the melting and solidification fronts of a non-renewale PCM,the n-eicosane, used as reference, and a bioPCM, the coconut oil. The oil was then inserted into an energy loading and unloading system that simulates night cooling operating conditions.At the end of the process it was observed that, although each stage was able to fulfill its individual purpose, be it characterization of the material or of the heat transfer process, only by combining the results that the full understanding of the material applicability was obtained. For example, typically, characterization studies are limited to defining data such as melting temperature or enthalpy of fusion. Although important, it was observed that these data alone could lead to energy system design issues such as disregarding the impact that sub-cooling would have on the energy storage capacity and response time.
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.
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Aparece nas coleções:ENM - Doutorado em Ciências Mecânicas (Teses)

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