Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-09-03T18:20:27Z No. of bitstreams: 1 2018_MarianaMoronariMonteiro.pdf: 3966672 bytes, checksum: 915e17bd9ebae5b0b37e00ceeafb3002 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-09-10T21:37:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_MarianaMoronariMonteiro.pdf: 3966672 bytes, checksum: 915e17bd9ebae5b0b37e00ceeafb3002 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-10T21:37:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_MarianaMoronariMonteiro.pdf: 3966672 bytes, checksum: 915e17bd9ebae5b0b37e00ceeafb3002 (MD5) Previous issue date: 2018-09-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ). / O armazenamento de energia térmica vem sendo considerado como uma viável solução para reduzir os problemas associados à natureza intermitente e variável dos recursos renováveis. Os materiais utilizados nos sistemas de armazenamento térmico de calor latente são denominados materiais de mudança de fase (PCM), os quais armazenam e liberam energia durante sua mudança de fase. As ceras de palma, soja e carnaúba foram estudadas neste trabalho como bio materiais de mudança de fase e suas propriedades termofísicas foram determinadas por meio da metodologia experimental T-History. Um aparato experimental foi desenvolvido para a obtenção do histórico de temperatura dos materiais analisados. A parafina eicosano, por ser um material amplamente estudado no meio cientíco e possuir suas propriedades termofísicas definidas e reportadas na literatura, também foi caracterizada neste trabalho para validar tanto o sistema de medição quanto a metodologia utilizada. O método T-History original e modificado foram aplicados para a comparação dos resultados obtidos por diferentes metodologias de análise. A influência da taxa de resfriamento sobre comportamento térmico dos materiais e sobre o valor das propriedades calculadas foi analisada por meio do uso de diferentes ambientes de resfriamento. Baseando-se nos resultados apresentados, o método T-History original foi apropriado para a caracterização termofísica do eicosano e sua aplicação gerou resultados consistentes, apresentando boa concordância com os valores reportados na literatura. Em geral, os comportamentos térmicos das ceras vegetais estudadas foram diferentes. Dentre as ceras vegetais estudadas no trabalho, a cera de carnaúba do tipo 4 apresentou o maior calor latente de fusão e as ceras de carnaúba tipo 3 e de soja apresentaram os maiores valores para condutividade térmica. Por meio dos ensaios realizados em diferentes ambientes de resfriamento, verificou-se experimentalmente que de fato o aumento da taxa de resfriamento influenciou os dados obtidos, resultando em grandes desvios e baixa precisão na determinação das propriedades termofísicas dos PCMs. Devido à escassez de dados referentes ao uso da metodologia T-History para a determinação das propriedades das ceras vegetais, foi difícil identificar qual o método de análise mais apropriado para a caracterização das ceras. No entanto, como o método modificado foi desenvolvido especificamente para analisar materiais que não apresentam sua mudança de fase em um patamar bem definido, ele se tornou mais adequado para a determinação das propriedades termofísicas das ceras vegetais estudadas este trabalho. Apesar do método modificado possuir limitações, ele apresentou grandes avanços com relação à metodologia T-History original. / Thermal energy storage has been considered as a viable solution to reduce the problems associated with the intermittent and variable nature of renewable resources. The materials used in the latent heat storage systems are called phase change materials (PCMs), which store and release energy during their phase change. The palm, soybean and carnauba waxes were studied in this work as bio phase change materials and their thermophysical properties were determined using the T-History methodology. An experimental apparatus was developed to obtain the temperature history of the analyzed materials. Eicosano paraffin, because it is a material widely studied in the scientific milieu and has its defined thermophysical properties and reported in the literature, was also characterized in this work to validate both the measurement system and the methodology used. The original and modified T-History method were applied to compare the results obtained by different analysis methodologies. The influence of the cooling rate on the thermal behavior of the materials and on the value of the calculated properties was analyzed through the use of different cooling environments. Based on the presented results, the original T-History method was appropriate for the thermophysical characterization of eicosano and its application generated consistent results, presenting good agreement with the values reported in the literature. In general, the thermal behavior of the studied vegetable waxes was different. Among the vegetable waxes studied in the study, carnauba type 4 wax presented the highest latent heat of fusion and the waxes of carnauba type 3 and soybean had the highest values for thermal conductivity. By means of the tests performed in different cooling environments, it was verified that in fact the increase in the cooling rate influenced the obtained data, resulting in large deviations and low precision in the determination of the thermophysical properties of the PCMs. Due to the lack of data regarding the use of the T-History methodology to determine the properties of vegetable waxes, it was difficult to identify the most appropriate method of analysis for the characterization of waxes. However, because the modified method was specifically developed to analyze materials that did not present their phase change at a well defined level, it became more suitable for the determination of the thermophysical properties of the vegetable wax studied in this work. Although the modified method has limitations, it has made great strides in relation to the original T-History methodology.

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-07-20T22:39:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Valdilene Oliveira da Silva.pdf: 3703891 bytes, checksum: 4084546b40fa6c797f01a3d7d23cc583 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-07-23T18:06:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Valdilene Oliveira da Silva.pdf: 3703891 bytes, checksum: 4084546b40fa6c797f01a3d7d23cc583 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-23T18:06:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Valdilene Oliveira da Silva.pdf: 3703891 bytes, checksum: 4084546b40fa6c797f01a3d7d23cc583 (MD5) Previous issue date: 2017-02-15 / FACEPE / Os materiais que absorvem ou liberam calor latente são denominados de Materiais de Mudança de Fase (MMF), que armazenam ou liberam a energia térmica quando sofrem uma transição de fase. Para evitar o escoamento dos MMFs, quando se encontrem no estado líquido, faz-se necessário a utilização de outros materiais que apresentem estrutura mecanicamente estável, como suportes que concentram o MMF nos espaços vazios; sendo essa configuração denominada MMF de forma fixada. Nesta pesquisa, foram propostos novos MMFs baseados em nanocompósitos poliméricos biodegradáveis que apresentam baixo custo e pouca deformação quando submetidos à fusão. Os materiais com baixo ponto de fusão serão aplicados em sistemas de aquecimento de água, enquanto os de ponto de fusão mais elevados serão aplicados na manutenção da temperatura de tubulações de óleo que necessitam fluir a quente. Para isso, foram utilizados a poli(ε-caprolactona) (PCL), poli(óxido de etileno) (PEO), poli(3- hidroxibutirato) (PHB) e poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (PHBV). Esses polímeros foram incorporados mecanicamente ao Grafite Expandido (GE) através da impregnação a vácuo e, em seguida, foram prensados para adquirir a forma de pastilhas. Finalmente, as amostras foram caracterizadas através de análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC), ensaios termogravimétricos (TGA), ensaios de difração de raios X (DRX) e espectrometria na região do infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR). Ao analisar o comportamento das pastilhas de MMF de forma fixada, a concentração de 15% de GE foi definida como a ideal. Foi observado que a presença do GE não alterou as propriedades térmicas dos MMFs, com exceção da temperatura de degradação. Dentre os materiais analisados, os MMFs baseados na PCL apresentaram maior desempenho quanto à estabilidade térmica, degradando-se acima dos 250ºC e não demonstrando variação nas suas propriedades, quando envelhecidos termicamente; enquanto que os materiais com PHB e PHBV não resistiram ao envelhecimento ao qual foram submetidos, degradando-se neste processo. / Latent heat absorbing materials are called Phase Change Materials (PCM), which store or release thermal energy when undergoing a phase transition. In order to avoid the flow of PCMs, when they are in the liquid state, it is necessary to use other materials that have a mechanically stable structure, such as supports that concentrate the PCM in the voids; being this configuration called form-stable PCM. In this research, new PCMs based on biodegradable polymeric nanocomposites were proposed, which present low acquisition cost and low deformation when submitted to melting. Materials with low melting point will be applied in water heating systems, while the higher melting point materials will be applied in maintaining the temperature of oil pipes that need to flow hot. For this, were used the poly(ε-caprolactone) (PCL), poly(ethylene oxide) (PEO), poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate) (PHBV). These polymers were mechanically incorporated into Expanded Graphite (EG) by vacuum impregnation and then pressed to the form of tablets. Finally, the samples were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Differential Scanning Calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), X-Ray Diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectrometry. By analyzing the behavior of the form-stable PCM, the 15% GE concentration was defined as the ideal. It was observed that the presence of the EG did not change the thermal properties of the PCMs, except for the degradation temperature. Among the analyzed materials, the PCMs based on PCL presented higher thermal stability performance, degrading above 250ºC and showing no variation in their properties when thermally aged; while the materials with PHB and PHBV did not resist the aging to which they were submitted, being degraded in this process.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / 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. / 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.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2016-12-20T15:48:37Z No. of bitstreams: 1 Fábio Faistauer_.pdf: 2685236 bytes, checksum: 4421428b568b50c93c4b5bc55df13256 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-20T15:48:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fábio Faistauer_.pdf: 2685236 bytes, checksum: 4421428b568b50c93c4b5bc55df13256 (MD5) Previous issue date: 2016-08-16 / FAPERGS - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul / Este trabalho apresenta um estudo numérico do processo de mudança de fase de PCM (Phase Change Material ou Materiais de Troca de Fase) acondicionados em cavidades esféricas. O modelo numérico é bidimensional e composto pelas equações de conservação da massa, da quantidade de movimento, de energia e da fração volumétrica, modeladas através da técnica entalpia-porosidade. A malha computacional é do tipo hexaédrica com refinamentos nas regiões que apresentam os maiores gradientes térmicos e fluidodinâmicos. O modelo numérico foi validado com resultados experimentais e numéricos da literatura. São estudados casos de fusão de PCM RT 35, RT 55 e RT 82 em cavidade esférica com temperatura constante na parede. Os diâmetros das esferas são de 40, 60, 80 e 100 mm e as temperaturas impostas à parede são de 10, 20 e 30°C acima da temperatura de fusão dos PCM. São apresentados resultados de fração líquida e de fluxo de calor resultante dos 36 casos estudados. A pesquisa mostra que PCM com propriedades semelhantes apresentam o mesmo comportamento para fração líquida e fluxo de calor, independentemente de seu ponto de fusão. O aumento da temperatura na parede da esfera é responsável por maiores fluxos de calor e pela diminuição do tempo de obtenção da fração líquida. Comparando as diferenças de temperaturas de 10, 20 e 30°C, a melhor redução percentual do tempo de fusão foi obtida para a temperatura de 20°C. A pesquisa também mostra que o aumento do diâmetro não influencia o fluxo de calor inicial, porém aumentam o tempo de fusão do PCM. Este tempo de fusão pode ser relacionado com o comprimento característico da esfera, independente das temperaturas impostas à parede. Os estudos mostram também que a maior quantidade de armazenamento térmico através do PCM líquido é obtida com a combinação dos maiores diâmetros com as maiores temperaturas. Para obter o cálculo da fração líquida em função do tempo através de uma correlação, os parâmetros envolvidos foram calculados através dos números de Fourier, Stefan, Grashof e Prandtl. / This paper presents a numerical study of the phenomena that occur in the use of PCM (Phase Change Materials) packed in spherical cavities. The numerical simulation was performed with commercial software ANSYS-FLUENT. The numerical model is two-dimensional and consists of the mass conservation equations of momentum, energy and volume fraction, modeled by enthalpy-porosity technique. The computational mesh is the hexahedral type with refinements in regions with the highest thermal and fluid dynamic gradients. The numerical model was validated with experimental and numerical results of literature. It was studied melting cases of PCM RT 35, RT 55 and RT 82 in spherical cavities with constant temperature on the wall. The diameters of the spheres were 40, 60, 80 and 100 mm and temperatures imposed on the wall were 10, 20 and 30°C, above the melting temperature of the PCM. It was presented results of melt fraction and heat flow of 36 cases studied. Research shows that PCM with similar properties have the same behavior for melt fraction and heat flow, regardless of its melting temperature. The temperature rise in the sphere wall is responsible for higher heat flows and by decreasing the melt fraction obtained in time. The best percentage reduction in the melting time was obtained with 20°C of temperature differences. Research also shows that the increase in diameter does not influence the heat flux, but increases the PCM melting time. This melting time can be related to the sphere characteristic length, regardless of the temperatures imposed on the wall. The studies also show that the largest quantity of thermal storage through the liquid PCM is obtained by combining the larger diameters with higher temperatures. The main parameters involved in the phase change process are correlated through numbers of Fourier, Stefan, Grashof and Prandtl for the calculation of the liquid fraction as a function of time. To calculate the liquid fraction as a function of time through a correlation, the parameters involved were calculated using the Fourier, Stefan, Grashof and Prandtl numbers.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-12-21T13:22:18Z No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-12-21T13:22:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 José Henrique Nazzi Ehms_.pdf: 4808489 bytes, checksum: b590c723912ffe1d5d90006182f8cff2 (MD5) Previous issue date: 2018-10-31 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Armazenamento térmico apresenta grande potencial de utilização em diversas aplicações, como energia solar, climatização, conservação de alimentos ou aproveitamento de calor residual em processos industriais. O armazenamento térmico de calor latente é realizado com materiais de mudança de fase (PCM), através dos processos de fusão e solidificação. A representação destes processos através de simulação numérica é realizada com o acréscimo ao modelo matemático básico, composto pelas equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia, modelos para descrever o calor latente e a transição na velocidade entre as fases, tais como: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) e SOM (switch-off method). No entanto, a grande maioria das pesquisas nesta área utiliza o primeiro método. Além disso, são poucos os estudos comparativos de diferentes métodos para descrever processos de mudança de fase. Assim, o objetivo do presente estudo é comparar os métodos Darcy STM, VVM e misto (utilizando elementos dos dois anteriores) na simulação numérica de processos de fusão e de solidificação do PCM RT27 no interior de uma esfera. O estudo foi realizado utilizando-se fluidodinâmica computacional, através do método dos volumes finitos. O Modelo numérico foi validado com resultados experimentais da literatura. Os resultados quantitativos e qualitativos de fração líquida mostram que o método Darcy STM é mais adequado ao processo de solidificação, enquanto o método VVM produz resultados mais próximos aos experimentais no processo de fusão. O custo computacional foi menor para o método Darcy STM e maior para o método VVM, enquanto o método misto apresenta custo computacional pouco inferior ao do método VVM. Na análise da camada líquida na fusão de contato, foram analisadas a velocidade descendente do sólido, a espessura da camada e a vazão na camada. Os resultados referentes a camada líquida indicaram significativa influência das configurações do método Darcy STM. No entanto, são pouco influenciados pelas configurações do método VVM. / Thermal energy storage presents great potential of utilization in several applications, such as solar energy, HVAC systems, food conservation or waste heat recovery in industrial processes. Latent heat thermal energy storage is realized with phase change materials (PCM), through solidification and melting processes. Representation of such processes through numerical simulation is performed with the addition to the basic numerical model, composed of the conservation equations of mass, momentum and energy, models to account the latent heat and the velocity transition between the phases, such as: Darcy STM (source term method), VVM (variable viscosity method) and SOM (switch-off method). However, the large majority of the research on such area employ the first method. Besides that, there are few comparative studies of different methods to describe phase change processes. Thus, the objective of the present work is compare Darcy STM, VVM and mixed method (using elements of the two prior) in the simulation of melting and solidification processes of PCM RT27 inside a sphere. The study was realized using computational fluid dynamics, with the finite volume method. The numerical model was validated with experimental results from literature. Quantitative and qualitative results of liquid fraction show that Darcy STM is most suitable to solidification process, while VVM produces results closer to experimental in the melting process. Computational cost was smaller for Darcy STM and greater for VVM, while mixed method presents computational cost slightly lower than the one of VVM. In the analysis of the liquid layer in close contact melting, were analyzed descending velocity of the solid, liquid layer thickness and the flow in the liquid layer. The results regarding the liquid layer denote significant influence of the configurations for Darcy STM. However, such results are little influenced by the configurations of VVM.