[pt] O presente trabalho versa sobre o estudo e modelagem de um sistema de refrigeração para ar condicionado de edifícios. O modelo considera um sistema de compressão de vapor de grande porte, chamado habitualmente chiller; um tanque de armazenamento de água gelada e uma torre de resfriamento.Para o desenvolvimento do modelo utilizam-se as equações constitutivas e as equações de conservação da massa e energia em todos seus componentes.O modelo permite obter as condições de funcionamento ótimo do sistema de refrigeração reduzindo o tamanho de seus componentes (menor custo de investimento) e o consumo de energia (custo de operação) em correspondência com o diagrama de carga térmica do edifício.Consideram-se as variações da temperatura do meio ambiente ao longo do dia (transiente horário) para estudar a influência destas variações no desempenho global do sistema de refrigeração.Aplica-se o modelo à obtenção das características dos componentes do sistema de refrigeração para condicionamento de ar de um dos blocos do prédio Cardeal Leme da PUC-Rio.No presente estudo, a estratégia de operação usada é um fator decisivo na seleção da melhor alternativa econômica. / [en] The present work aims the study and modeling of a system of refrigeration systems for air-conditioning in buildings. The model considers a high capacity vapor-compression refrigeration system, for water cooling (chiller); a tank of thermal storage tank and a cooling tower.For the development of the model the constitutive equations and the equations of conservation of mass and energy are used over all its components.The model provides the optimal operating conditions of the refrigeration system to reduce the size of its components (lesser cost of investment) and the energy consumption (operation cost) according to the thermal load of the building.Daily temperature variations of the environment are taken into account (hourly transient) in order to study the influence of these variations over the global performance of the refrigeration system.The model is applied to the study of the air conditioning system of one block of the Cardeal Leme building, at PUC-Rio.In the present study, the strategy employed is a keye factor in the selection of the best economical alternative.

[pt] O propósito deste trabalho é a modelagem de um sistema de termoacumulação utilizando cápsulas esféricas com material de mudança de fase (MMF) o programa computacional desenvolvido utilizado, foi à plataforma Matlab. O ponto principal do presente trabalho, no seu inédito modelo, está no fato de se estudar este sistema utilizando diferentes dimensões de esferas em único tanque de estocagem (Usualmente a termoamulação em cápsulas esféricas utiliza no interior do tanque cápsulas esféricas com um único diâmetro). Para formar o gelo (calor latente) nas cápsulas, um fluido com temperatura abaixo da temperatura de congelamento da água escoa em regime permanente através das cápsulas. Desta forma há uma troca de calor entre o fluido e as cápsulas com MMF (neste caso água). O ideal seria que toda água no interior das cápsulas se tornasse gelo. Porém, a resistência térmica formada pelo gelo começa a interferir na formação total da água no interior da cápsula. Outro problema é a temperatura do fluido que circula. Com o decorrer do escoamento a temperatura do fluido aumenta ao trocar calor com as cápsulas. Desta forma, as esferas em planos diferentes irão receber um fluido com uma temperatura maior que do plano anterior. Assim o gradiente de temperatura entre o fluido e a água fica cada vez menor influenciando o tempo de formação de gelo em todas as cápsulas. O estudo deste processo de termoacumulação prevê um tempo menor de circulação de fluido para formação de gelo e melhor uso da energia estocada. / [en] The study and use of thermal storage has increased in recent years due to the need to reduce production cost. The purpose of this paper is the modeling of a thermal storage system using spherical capsules with phase change material (water). The main point of the present work lies in the fact that the this system uses different sizes of balls in a single storage tank (usually, in thermal storage spherical capsules systems spherical capsules with a simple diameter only is employed). To form the ice caps, a fluid, with a temperature below the freezing temperature of water, flows permanently through the capsules, so there is an exchange of heat between the fluid and the capsules with water, which freezer. Ideally, all water inside the capsule should become ice, but the thermal resistance posed by the ice begins to interfere with the formation of the total water within the capsule. Another problem is the temperature of the fluid that exchanges heat with the water capsules. As the fluid temperature increases, downstream, time of ice formation is affected by the smaller temperature difference between fluid and capsule external wall.

[pt] Um dispositivo experimental foi desenvolvido para o estudo do superresfriamento da água em cápsulas cilíndricas visando sua utilização em processos de termoacumulação. A bancada experimental é constituída basicamente por: seção de teste, sistema de resfriamento, sistema de visualização, sistema de aquisição e armazenamento de dados. A temperatura do fluido externo, ou fluido de transferência (FT), uma solução aquosa de álcool a 50% por volume, foimantida constante por um banho de temperatura controlada durante cada teste. O trabalho foi dividido em quatro etapas. A primeira trata do estudo estatístico do super-resfriamento e da nucleação, em que foram utilizados 3 materiais distintos (alumínio, acrílico e PVC) para cápsulas de 30 e 80 mm de diâmetro com diferentes tipos de rugosidade, e diferentes temperaturas do FT. A segunda etapa investiga a Taxa de Resfriamento, parâmetro que quantifica a queda da temperatura e influencia fortemente o super-resfriamento e a nucleação. Na terceira etapa, foi estudada a influência da rugosidade da parede interna da cápsula. Nesta etapa, quatro cápsulas de alumínio distintas, com diferentes rugosidades, foram utilizadas. Finalmente, na quarta etapa foram realizadas visualizações do fenômeno de nucleação. Os resultados obtidos indicam que o material da cápsula (condutividade e rugosidade) e a temperatura do FT têm grande influência nos fenômenos de super-resfriamento e nucleação da água em cápsulas cilíndricas, afetando fortemente o processo de mudança de fase. / [en] An experimental device was developed for the super-cooling water in cylindrical capsules study, seeking its use in term- accumulation processes. The experimental set is constituted basically by: test section, cooling system, visualization system, and data logger system. The temperature of the external fluid, or transfer fluid (FT), an alcohol aqueous solution with 50% per volume, it was maintained unchangeably with a bath controlled temperature during each test. The work was divided in four stages. The first one is about the statistical study of the super-cooling and nucleation, where 3 distinct materials were used (aluminum, acrylic and PVC) for capsules of 30 and 80 mm diameter, different roughness type, with different temperatures of FT. The second stage investigates the Cooling Rate, parameter that quantifies the falling of the temperature and it influences strongly the super-cooling and the nucleation process. In the third stage, the influence of the internal wall of the capsule was studied. In this stage, four different capsules of aluminum, with different roughness were used. Finally, in the fourth stage, visualizations of the nucleation phenomenon were accomplished. The obtained results indicate that the capsule material (conductivity and roughness) and the FT temperature has great influence in the phenomena of super-cooling and nucleation of the water in cylindrical capsules, affecting, strongly, the process of phase change.

[pt] Esta dissertação desenvolveu-se de forma articulada com o projeto de PeD LIGH-ANEEL, coordenado pelo Programa de Pós-Graduação em Metrologia (PósMQI), Projeto Ref. PeD 003/2008, intitulado Racionalização do uso de energia e aplicação da termoacumulação como estratégia para proposição de tarifa diferenciada voltada a clientes comerciais de alto consumo. A dissertação teve como objetivo o desenvolvimento e validação de um algoritmo para identificação de clientes potenciais ao uso da tecnologia de termoacumulação. O trabalho orientou-se no contexto da crescente demanda por energia imposta ao setor elétrico pela expansão da economia, notadamente em horários de alta demanda. A motivação deste trabalho, atendendo aos interesses do PósMQI na área de energia, é oferecer uma ferramenta de auxílio à decisão para o planejamento energético das concessionárias. Como resultado obteve-se o mapeamento das curvas de cargas, obtidas por meio do sistema computacional desenvolvido (SIMCAR). Este sistema (amigável) permite enquadrar os clientes potenciais, segundo características de consumo estruturadas em três categorias indicativas do uso da termoacumulação: muito potencial, potencial e já modula. Dentre as conclusões, o algoritmo desenvolvido mostrou-se ferramenta eficaz de auxílio ao planejamento energético e a termoacumulação uma alternativa sustentável para adequação da matriz energética do país, podendo gerar economias de até 40 porcento. / [en] An algorithm to measure and detect potential thermo-accumulation customers among the clients of a distributing utility was proposed in this work. Such algorithm uses statistical methods for the treatment of missing data and is applied to the measured hourly demands of medium and high voltage customers of the utility. Basically, the thermo-accumulation technique can be defined as a strategy to shift load from peak hours to off-peak hours. The algorithm allows the construction of load curves from the observed load series after the removal of outliers and/or missing values. From the profile of such curves, the algorithm produces the classification of the clients into three possible categories: higly potential, just potential and non potential (i.e. an already modulated client). Also important to mention this dissertation, is part of an R&D project developed for a brazilian southern utility. A friendly computer system named SIMCAR, developed in Visual Basic, implemented the proposed algorithm. As a final word, in surveys conducted with users of this technology, it was mentioned that the savings on energy consumption can be as high as 40 per cent.

[pt] Desenvolvida no âmbito da linha de pesquisa Metrologia para Energia, a presente dissertação de mestrado tem como objetivo validar os benefícios da tecnologia da termoacumulação como alternativa técnica e economicamente viável para deslocamento de cargas elétricas em períodos de grande utilização. O projeto de pesquisa teve como motivação o estudo de alternativas tecnológicas para viabilizar tarifas diferenciadas. A metodologia utilizada incluiu a revisão da literatura especializada sobre regulação tarifária e termoacumulação; desenvolveu estudos de sistemas de distribuição subterrâneos e aéreos situados em regiões de grande demanda de energia elétrica no horário comercial e desenvolveu análise de sensibilidade técnico-econômica visando a proposição de alternativas tarifárias e políticas de deslocamento de carga. O trabalho se desenvolveu no contexto da segunda revisão tarifária do setor elétrico, que busca repartir os ganhos de eficiência obtidos pelos agentes do setor elétrico com os seus consumidores. Dentre os resultados do trabalho destacam-se: (i) a comprovação da viabilidade da aplicação da termoacumulação em sistemas de climatização, (ii) a redução de custos de operação e implantação de subestações de energia elétrica para consumidores de sistemas de refrigeração e (iii) e proposição de uma tarifa diferenciada que permite a mudança do perfil de carga de sistemas de refrigeração comerciais. Estudos realizados mostraram que a termoacumulação pode gerar redução dos custos de energia elétrica da ordem de 30 a 45 por cento. Como conclusões, o trabalho reconhece a importância de se implantar políticas que privilegiem novas alternativas tarifárias e ressalta os benefícios que resultam da adoção dessa tecnologia alternativa para o meio ambiente. / [en] Studies have shown that thermo-accumulation is an attractive technology to increase the electric power load factor which can lower tariff billings in electricity retailing (30-45 percent), the motivation for this research project. The aim of the present M.Sc. dissertation is to validate the technological benefits of thermo-accumulation applied to the electric sector as an economically feasible alternative for power load displacement at peak mode. The methodology included a literature survey on tariff billings and the regulation of the electric sector; a study of aerial and underground distribution systems at locations of high power load demand; a technical-economic analysis (consumption and tariff) of power substations. Developed within the context of tariff billing revision where the electric sector shared energy-efficient gains with customers, the research project suggests alternate tariff schemes and power load displacement policies. Three major results were found: (i) the feasibility of thermo-accumulation in acclimatization; (ii) the reduction of operational cost of electricity for commercial air-conditioning users; (iii) a proposal for differentiated retailing tariff billings. To highlight the conclusions of the work, the use of the thermo-accumulation technology by electric companies was shown to be unmistakable. On the one hand it provides better tariff schemes for consumers and on the other it is environmentally friendly.

[pt] Um dispositivo experimental foi desenvolvido para investigar o desempenho térmico de um sistema de armazenamento de frio que utiliza água como material com mudança de fase (MMF) em esferas rígidas e contém um elemento interno para responder às variações da massa específica do MMF durante o processo. A maioria das experiências de dispositivos de armazenamento térmico em capsulas tem uma variação em suas dimensões externas devido à expansão ou contração é interiormente absorvida, a forma externa permanece invariável e podem ser evitados problemas de variação de volume e acomodação das capsulas em tanques de armazenamento. Neste trabalho são investigados os sistemas encapsulados esféricos com elemento interno (diafragma) que absorve a variação de volume para manter constante o diâmetro externo.A esfera é esfriada por um fluxo externo de Mistura Álcool-Água controlado por um banho de temperatura constante. Foram investigadas várias situações para temperaturas diferentes e regimes de fluxo. São monitorados o campo de temperatura, a posição de interface e a transferência de calor dentro das esferas. Implementou-se um modelo numérico para a avaliação dos resultados experimentais. O programa dói preparado na linguagem de programação Fortran e as comparações foram feitas no campo de temperaturas, frente de solidificação, e energia removida. A vantagem ou desvantagem de cada caso são apresentadas. / [en] An experimental apparatus was developed to investigate the thermal performance of a cold storage system utilizing rigid spheres containing an internal element to account for dilatation or contraction of the material during the change of phase. Most of the encapsulated thermal storage devices experiments a variation in its external dimensions due to the expansion or contraction that appear in the freezing or melting processes. If the expansion or contraction is absorbed internally, the external shape remain invariable and accommodation problems in storage tanks can be avoided. In spherical encapsulated systems, the internal element absorbs the volume variation in order to maintain constant the outside diameter. To develop the absorber, different sizes of spheres were investigated, as well, different shapes of absorbers. The sphere is cooled or heated by an external flow controlled by a constant temperature bath. Several situations were investigated for different temperatures and flow regimes. During the changing of phase, the temperature field, the interface position and the convection

[pt] O uso da pasta de gelo começou recentemente a ser aplicado em sistemas de refrigeração e condicionamento de ar. Como principais vantagens deste fluido, podem ser citados: a possibilidade de armazenar calor latente do gelo e a possibilidade de ser bombeado como a água fria. Assim, o pasta de gelo pode ser usado para o armazenamento térmico no lugar da água fria ou do gelo, desde que, até determinadas concentrações, possa ser bombeado através dos trocadores de calor. Para que esta tecnologia seja aceita extensamente, informações de engenharia são requeridas nas características de transporte nos equipamentos de troca de calor. Um dispositivo experimental foi desenvolvido para estudar os coeficientes de transporte do pasta de gelo em um trocador de calor de placas, utilizando água como carga térmica a resfriar. Foram investigadas várias situações para diferentes frações iniciais e vazões do pasta de gelo. As condições de entrada da carga térmica, foram mantidas constantes. São monitoradas a temperatura, a queda de pressão, a fração do gelo sólido e a vazão do pasta de gelo no trocador de calor, assim como a vazão e a de temperatura na parte da carga térmica. Os resultados mostram que o coeficiente global de troca de calor aumenta com aumento da fração inicial do gelo. A capacidade do resfriamento do trocador de calor aumenta consideravelmente, em relação da água, quando a pasta de gelo, é utilizada como fluido secundário. Finalmente, a queda de pressão aumenta com o aumento da fração inicial de gelo. / [en] The use of the ice slurry is recently applied in the refrigeration and air conditioning systems. Advantages such as the possibility to store latent heat on ice and the possibility of being pumped as cold water can be considered. Ice slurries can be used both for cold storage in place of chilled water or ice and as a secondary refrigerant since, up to certain concentrations, they can be pumped directly through distribution pipeworks and heat exchangers. For ice slurries to become more widely accepted, however, more engineering information is required on fluid flow and heat transfer characteristics. An experimental device was developed to study the transport properties of the ice slurry in plate heat exchangers. Several situations were investigated for different initial fractions and flows of ice slurry. The conditions of the thermal load (pure water), had been kept constant. The temperature field, the pressure loss, the initial fraction and the flow of ice slurry are monitored in the heat exchanger, beyond the flow and the temperature field is monitored in the part of the thermal load. The overall heat transfer coefficient, increases in function of the initial ice fraction. The capacity cooling of the heat exchanger increases with the use of ice slurry when compared to pure water. Finally can be showed that the loss of pressure increases for higher initial ice fraction.

[pt] Um dispositivo experimental foi desenvolvido para o estudo do super-resfriamento da água em cápsulas cilíndricas visando sua utilização em processos de termo-acumulação. A bancada experimental é constituída basicamente por: seção de teste, sistema de resfriamento, sistema de visualização e sistema de aquisição e armazenamento de dados. A temperatura do fluido externo, ou fluido de transferência (FT), uma solução aquosa de álcool a 50% por volume, foi mantida fixa por um banho de temperatura controlada durante cada teste. O trabalho foi dividido em quatro etapas. A primeira trata do estudo estatístico do super- resfriamento e nucleação, onde foram utilizadas 4 cápsulas de materiais distintos (alumínio, bronze, PVC e acrílico) de 45 mm de diâmetro, com diferentes temperaturas do FT. A segunda etapa investiga a Taxa de Resfriamento, parâmetro que quantifica a queda da temperatura e influencia fortemente o superresfriamento e a nucleação. Na terceira etapa, foi estudada a influência da rugosidade da parede interna da cápsula. Nesta etapa, quatro diferentes cápsulas de alumínio, com diferentes rugosidades, foram utilizadas. Finalmente, na quarta etapa, foram realizadas visualizações do processo de nucleação para posterior processamento e melhor entendimento do fenômeno. Os resultados obtidos indicam que o material da cápsula (condutividade e rugosidade) e a temperatura do FT têm grande influência nos fenômenos de super-resfriamento e nucleação da água em cápsulas cilíndricas, afetando, fortemente, o processo de mudança de fase. / [en] An experimental device was developed to investigate the supercooling phenomenon in water inside cylindrical capsules used for cold storage process. The experimental device is formed by the test section, the cooling system, the visualization system and the data acquisition and storage system. The temperature of the transfer fluid (TF), a water-alcohol mixture (50% volume), is controlled by a constant temperature bath (CTB). The work was divided in four stages. The first is the statistical study of the supercooling and nucleation phenomena, where four capsules of 45 mm diameter made with different materials (aluminum, brass, PVC and acrylic) had been used, with different temperatures of the FT. The second stage studies the Cooling Rate, a parameter related to the supercooling and nucleation phenomena. In the third stage, the influence of the superficial roughness of the internal wall was investigated. Four aluminum capsules, with different roughness, were used. Finally, in the fourth stage, visualizations of the nucleation process had carried out, for posterior processing and analysis. The results indicate that the material of the capsule (conductivity and roughness) and the temperature of the TF have a considerable influence in the supercooling and nucleation phenomena of the water inside cylindrical capsules, strongly affecting the phase change process.