La réglementation thermique sur les bâtiments en France impose le recours aux énergies renouvelables. L'énergie solaire, à la fois thermique et photovoltaïque, présente un grand potentiel en termes de disponibilité. Néanmoins, du fait de son caractère intermittent, des systèmes de stockage associés sont nécessaires. Pour ce qui est des systèmes solaires thermiques, les capteurs solaires intégrant le stockage (CSIS) ont pour avantages une grande simplicité ainsi que des coûts réduits comparés à des systèmes plus classiques. Ils permettent également d'éviter la problématique de la mise en place du stockage, les rendant ainsi adaptés à la rénovation énergétique.Le présent travail de thèse étudie les phénomènes de convection naturelle dans une cavité fermée à haut rapport de forme (H/L = 13) représentant le réservoir de stockage d'un CSIS. Dans un premier temps, un état de l'art des systèmes existants ainsi qu'une étude bibliographique de l'étude de ces systèmes et des phénomènes s'y déroulant sont réalisés. Il y est mis en évidence l'importance de la stratification des températures au sein du réservoir pour l'amélioration des performances globales du système. Dans un second temps, une étude expérimentale de la cavité est effectuée pour la compréhension des écoulements liés à la mise en place d'une stratification thermique satisfaisante, ainsi que des paramètres pouvant l'influencer. Dans cette étude, une plaque de stratification est ajoutée à l'intérieur de la cavité pour canaliser le fluide chaud ascendant, limitant ainsi le brassage. La zone de chauffe représentant l'échange entre la boucle solaire et le réservoir est placée au milieu de la face supérieure du système, résultant en une bonne stratification. Un écoulement inverse est observé au niveau de la sortie de ce canal. Ce phénomène est principalement responsable de l'écart de température obtenu entre le haut et le bas du système. Une étude numérique CFD du système a donc été conduite pour étudier l'influence de différents paramètres sur le comportement thermique et de l'écoulement. La diminution de l'écoulement inverse permet une meilleure circulation du fluide dans la globalité du système. Afin de déterminer si la stratification thermique observée dans le système de stockage conduit à une performance énergétique annuelle satisfaisante du capteur auto-stockeur, une modélisation nodale a été effectuée. Différents paramètres tels que la position de la zone d'échange entre le collecteur et le réservoir de stockage, ou encore l'épaisseur de l'isolant ont été étudiés pour quantifier leur influence sur les performances du système complet. / Thermal regulation for dwellings in France makes the resort to renewable energy mandatory. Solar energy has an important potential regarding its availability, for both thermal and photovoltaic applications. However, due to its intermittency, there is a need for a storing device. Concerning solar thermal systems, Integrated Collector Storage Solar Water Heaters (ICSSWH) have the advantage of a simple design and use combined with reduced costs compared to more classical devices. These systems also enable to avoid the problem of finding space for the installation of a storage system in an existing building, making them more suitable for energy renovation of houses.This present work studies the phenomena of natural convection in an enclosed cavity with high aspect ratio (H/L = 13) representing the storage of an ICSSWH. Firstly, a state of the art of existing systems as well as a literature review of these systems and of the phenomena occurring in them are conducted. The importance of thermal stratification inside the storage tank for the increase of global efficiency for the whole system is highlighted. Secondly, an experimental study of the cavity is performed to understand the fluid flow linked to the satisfying stratification obtained in the system, and find the parameters influencing it. In the experimental setup, a stratification plate is added inside the cavity to harness the ascending hot flow, hence limiting the mixing of fluid which is responsible for the destratification. The heated zone, which represents the exchange between the solar collector and the storage, is placed in the middle of the upper wall of the system, resulting in a good thermal stratification. A reverse flow can be observed at the channel outlet, which is the main parameter for the high temperature difference obtained between the top and the bottom of our system. A CFD study of the experimented system is then conducted to determine the influence of several parameters on the thermal and fluid flow behavior of the system. The decrease of reverse flow allows a better loop of the fluid in the whole cavity. In order to discover whether the thermal stratification observed in the storage leads to a better annual efficiency for the whole ICSSWH, a nodal model is used. Several parameters such as the position of the heat exchange zone between the collector and the storage or the insulation thickness are studied to quantify their influence on thermal stratification, and hence on the overall efficiency of the system.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004Bitstream added on 2014-06-13T20:47:18Z : No. of bitstreams: 1 oliveira_sr_me_bauru.pdf: 4056726 bytes, checksum: da2b55b91a9531fddc60a2ca6a750172 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / É desenvolvido um modelo matemático para estudar o comportamento da estratificação térmica de líquido em um tanque armazenador com meio poroso. O tanque considerado é de geometria retangular com relação comprimento-altura igual a 1. O modelo utiliza a formulação transiente de vorticidade e função corrente para predizer o desenvolvimento dos campos de função corrente e temperaturas durante um processo de carregamento. Foi fixado um número de Reynolds igual a 200 para o escoamento de entrada e uma faixa do número de Richardson de 0,001 a 10. Outros parâmetros considerados incluem o número de Biot (perda de calor pelas paredes do tanque), o número de Darcy (permeabilidade do meio poroso), a posição e a espessura do meio poroso. Os resultados mostram a influência desses parâmetros físicos que devem ser considerados para um bom projeto de tanques armazenadores com estratificação térmica. / A mathematical model is developed to study the behaviour of thermal stratification of liquid in a typical storage tank with porous medium. The tank considered has rectangular geometry with lenght-to-height ratio equal of 1. The model employs a transient stream function-vorticity formulation to predict the development of stream function and temperature fields in a charging process. The Reynolds number of the inlet flow is fixed at 200 and a range of the Richardson number from 0,001 to 10. Other parameters considered include the Biot number (heat loss from tank walls), the Darcy number (permeability of the porous medium), the position and the thickness of the porous medium. The results show the influence of these physic parameters that should be considered for a good design of storage tanks with thermal stratification.

Orientador: Alcides Padilha / Banca: Ricardo Fortes de Miranda / Banca: Vicente Luiz Scalon / Resumo: Foi desenvolvido um modelo matemático para descrever o processo de estocagem de energia via estratificação térmica de líquido em um tanque. Neste modelo foi considerado um balanço de energia para o sistema de estocagem e proposto um modelo matemático unidimensional e transiente capaz de descrever o histórico dos perfis de temperatura do líquido e da parede do reservatório durante a operação de carregamento dinâmico. O modelo matemático foi discretizado através da técnica de diferença finitas e sua solução foi obtida numericamente através de um código computacional desenvolvido em linguagem de programação FORTRAN. Os resultados teóricos foram comparados com resultados experimentais, e estudada também a influência da relação altura/diâmetro e velocidade de carregamento no processo de estocagem de energia. / Abstract: A mathematical model is developed to describe the energy storage process by thermal stratification of a liquid in a storage tank. Considering a balance of energy for the storage system, is proposed a transient and unidimensional mathematical model capable to describe the history of the liquid temperatures profile and the wall of the storage during the charging dynamic operations. The mathematical model was discretizided using a finite differences technic and its solution got numerically through a computational code developed in a FORTRAN programming language. The theorical results were compared with experimental results, and it was also studied the influence of aspect ratio and the charging velocity in an energy storage process. / Mestre

Orientador: Alcides Padilha / Resumo: É desenvolvido um modelo matemático para estudar o comportamento da estratificação térmica de líquido em um tanque armazenador com meio poroso. O tanque considerado é de geometria retangular com relação comprimento-altura igual a 1. O modelo utiliza a formulação transiente de vorticidade e função corrente para predizer o desenvolvimento dos campos de função corrente e temperaturas durante um processo de carregamento. Foi fixado um número de Reynolds igual a 200 para o escoamento de entrada e uma faixa do número de Richardson de 0,001 a 10. Outros parâmetros considerados incluem o número de Biot (perda de calor pelas paredes do tanque), o número de Darcy (permeabilidade do meio poroso), a posição e a espessura do meio poroso. Os resultados mostram a influência desses parâmetros físicos que devem ser considerados para um bom projeto de tanques armazenadores com estratificação térmica. / Abstract: A mathematical model is developed to study the behaviour of thermal stratification of liquid in a typical storage tank with porous medium. The tank considered has rectangular geometry with lenght-to-height ratio equal of 1. The model employs a transient stream function-vorticity formulation to predict the development of stream function and temperature fields in a charging process. The Reynolds number of the inlet flow is fixed at 200 and a range of the Richardson number from 0,001 to 10. Other parameters considered include the Biot number (heat loss from tank walls), the Darcy number (permeability of the porous medium), the position and the thickness of the porous medium. The results show the influence of these physic parameters that should be considered for a good design of storage tanks with thermal stratification. / Mestre

A humanidade tem uma importante ligaÃÃo histÃrica com a Ãgua em especial com os Ecossistemas AquÃticos Continentais (EACs) No mundo existem cerca de 1 386 milhÃes de km3 de Ãgua sendo apenas 2 5% Ãgua doce à de extrema importÃncia o conhecimento das variÃveis fÃsico-quÃmicas da Ãgua para prever de forma antecipada os fenÃmenos de estratificaÃÃo e desestratificaÃÃo tÃrmica Assim podendo evita perdas financeiras em empreendimentos aquÃcolas O presente trabalho teve como objetivos determinar quais efeitos a tilapicultura em tanques redes realizada na Fazenda Capo Grande (Pentecoste CearÃ) exerce sobre os parÃmetros da Ãgua subsuperficial e de fundo no cultivo e monitorar sistematicamente as alteraÃÃes fÃsico-quÃmicas nictimerais causadas pelas alteraÃÃes meteorolÃgicas locais O trabalho foi realizado na Piscicultura Campo Grande localizada no AÃude Publico Pereira de Miranda localizado em Pentecoste (Cearà â Brasil) Foram escolhidos dois pontos de coletas com a mesma profundidade e caracterÃsticas semelhantes (PC â Ponto controle localizado a 50 m dos tanques-rede; PTR â Ponto nos Tanques-Rede localizado entre os tanques-rede) Os dados meteorolÃgicos foram obtidos atravÃs da FUNCEME e da EstaÃÃo MeteorolÃgica da UFC As campanhas ocorriam a cada 21 dias se iniciaram no dia 24/03/2012 e foram finalizadas no dia 07/07/2012 Coletava-se Ãguas de sub-superfÃcie (0 30 m) e de fundo (3 90 m) nos dois pontos e em horÃrios diferentes (6 12 18 e 24h00min) Ainda no local foram medidos a temperatura da Ãgua pH e ocorria a fixaÃÃo do oxigÃnio pelo mÃtodo de Winckler Em laboratÃrio foram medidos a condutividade elÃtrica oxigÃnio dissolvido alcalinidade total dureza total salinidade nitrogÃnio amoniacal total nitrito ferro II e fÃsforo dissolvido A transparÃncia da Ãgua foi medida com um disco de secchi Cada campanha gerou 324 resultados de qualidade de Ãgua totalizando 1944 resultados no fim do trabalho Concluiu-se que a Piscicultura Campo Grande eutrofizou o meio de forma insignificante que a alteraÃÃo da qualidade de Ãgua se deu principalmente na Ãgua de fundo ocorreram estratificaÃÃes tÃrmicas na Ãrea da piscicultura mas nem sempre ocorreu à mistura total da massa de Ãgua a dispersÃo de resÃduos foi muito baixa mantendo-se no perÃmetro dos tanques-rede e a qualidade da Ãgua pode ser organizada da seguinte forma em ordem crescente de qualidade de Ãgua (da pior para a melhor Ãgua): 1 â Ãgua de fundo dos tanques-rede; 2 â Ãgua de fundo do ponto-controle; 3 â Ãgua subsuperficial dos pontos controle e tanques-rede / Mankind has an important historical connection with the water especially with Continental Aquatic Ecosystems (CAEs) Worldwide there are about 1386 million km3 of water This value may seem absurdly large almost unimaginable but only a small portion of this amount is freshwater and a smaller portion is still available for consumption by humans This study aimed to determine the effects of tilapia culture in cages held at Fazenda Campo Grande (Weir Pereira de Miranda Pentecost CearÃ) the quality of surface and bottom of the cultivation area and systematically monitor the physical-chemical changes nictimerais changes caused by local weather The study was conducted at Aquaculture Campo Grande located in Weir Public Pereira de Miranda located in Petecoste (Cearà - Brazil) Have chosen two stations (PC - Control Point; PTR - Point in Tanks-Net) Were chosen due to location (50 m away) and divide the similar physical characteristics (depth distance from shore etc ) Meteorological data were obtained from FUNCEME and the the Meteorological Station of Universidade Federal do Cearà The campaigns took place every three weeks and began on 24/03/2012 and were finalized on 07/07/2012 Them were collected waters of sub-surface and bottom in two points and at different times (6 12 18 and 24h00min) Even at the site were measured water temperature pH and oxygen fixation occurred by Winckler method In the laboratory were measured electrical conductivity dissolved oxygen total alkalinity total hardness salinity total ammonia nitrogen nitrite iron II and dissolved phosphorus The water clarity was measured with a Secchi disk Each campaign has generated 324 results in water quality total 1944 results at the end of the work In the end it was concluded that the fish farming Campo Grande eutrophication medium so insignificant that the change in water quality is mainly in the bottom water thermal stratification occurred in fish but there was not always a total mixture of the water body waste dispersion was very low keeping the perimeter of the cages and water quality can be organized as follows in order of increasing water quality (from worse to best water): 1 - bottom water of net cages; 2 - bottom water-point control; 3 - sub-surface water of the control points and net cages

As lagoas de estabilização têm sido, por suas características operacionais e baixos custos de implantação, consideradas como a opção mais viável para tratamento de águas residuárias em pequenas e médias comunidades. O sistema composto por lagoa anaeróbia e facultativa em série é o mais empregado no Brasil. Com o avanço no monitoramento das lagoas de estabilização que se iniciou na década de 90, no caso do Estado de São Paulo pela SABESP, e que hoje se encontra bastante estruturado, periódico e confiável, nota-se que esses sistemas apesar de projetados seguindo as técnicas mais recentes, não possuem a eficiência esperada quando em operação. Tornam-se então prementes os estudos no sentido de melhorar o desempenho dos sistemas existentes e fornecer subsídios para novos projetos de lagoas de estabilização. Este trabalho estudou a utilização de chicaneamento nas lagoas de estabilização verificando a influência das chicanas no comportamento hidrodinâmico e desempenho desses sistemas além da utilização de macrófitas aquáticas no processo de tratamento de águas residuárias. Concluiu-se que mesmo com aumento de eficiência de remoção de DQO, 'DBO IND.5', nitrogênio Kjedahl e amoniacal, para ambos os casos: lagoa com aguapé e lagoa com lentilha d’água, os inúmeros problemas operacionais e aumento de custos que surgiram da aplicação das macrófitas aquáticas tornam desaconselhável o uso de aguapé e lentilha d’água em lagoas de tratamento de esgoto. Com relação ao chicaneamento o sistema que mais se aproximou dos valores teóricos, com relação ao tempo de detenção hidráulico e número de dispersão (d), foi a lagoa com chicaneamento longitudinal, melhorando o comportamento hidráulico do sistema, podendo ser considerado uma medida simples e de baixo custo para incrementar a eficiência de lagoas de estabilização / Due to the operational characteristics and low investment costs stabilization ponds have been considered as the most viable option for wastewater treatment in small and medium size communities. Anaerobic and facultative ponds in series are the most used in Brazil. With the progress of monitoring of the stabilization ponds, that was initiated in the decade of 1990 in the State of São Paulo by SABESP, it was observed that these systems do not possess the expected efficiency when in operation, although they were designed following the best available knowledge at that time. Thus, new studies were direct to improve the performance of the existing systems and to supply subsidies for new projects of stabilization ponds. This research examines, separately, the use of baffles and macrophytes in a pilot scale stabilization pond verifying the influence of these elements on the hydrodynamic behavior and performance of the wastewater treatment. It was concluded that although there is an increase in removal efficiency of DQO, 'DBO IND.5', nitrogen Kjedahl and ammoniacal, the several operational problems and increase of costs that had appeared with the application of water hyacinths and duckweed in the pond, it is not recommended to use these aquatic plants in sewer treatment. Concerning the use of baffles the system that came closer to the theoretical values, in relation to the hydraulic time of detention and number of dispersion (d), was the pond with longitudinal baffles. These baffles improved the hydraulic behavior of the system and are a simple measure and of low cost to develop the efficiency of stabilization ponds

In order to enhance the performance of a large horizontal thermal energy storage, a numerical model was generated and validated using measurements obtained from Drake Landing Solar Community (DLSC). A total of nine different baffle configurations were tested in order to enhance the thermal stratification. The designs were tested for a total of six different cases of charging, discharging and simultaneous charging and discharging in an attempt to better identify key features that mix the tank under realistic conditions. Characterization of the tank performance was done by monitoring the tank outlet temperature and computing Huhn's efficiency Second Law characterization index). Results show that the current tanks at DLSC experience excessive mixing due to plume entrainment that occurs during the spreading of the inlet jet. The introduction of a baffle into the middle of the tank was found to have no impact on the level of stratification. In addition, most designs tested have a relatively high level of stratification during charging, discharging and simultaneous charging and discharging, but fail to sustain the level of stratification when a positive buoyant jet is introduced. It was demonstrated that the inlets and outlets should be moved to the top and bottom of the tank to eliminate stagnant fluid that is not easily discharged. Horizontal baffles are effective in allowing the inlet jet to spread horizontally but not vertically, thus reducing the mixing. Alternatively, a simple solution would be to increase the size of the inlet, which has a comparable performance to the best baffle configurations. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The dissertation investigates typical operation modes of the heat storage tank in the small-scale cogeneration (CHP) plant, analyses formation of thermal stratifi-cation in such storage tank and presents the simulation of the stratification. The main aim of the dissertation is to investigate peculiarities of operation modes of heat storage tank in small-scale CHP plant, develop an algorithm allowing to choose the storage tank volume and present a model allowing determination of thermal stratification in the storage tank at any time of its operation. / Disertacijoje nagrinėjami būdingi šilumos akumuliacinės talpos veikimo režimai, susiformuojantys nedidelės galios kogeneracinėje jėgainėje, tiriamas šiluminės stratifikacijos susidarymas tokioje talpoje ir atliekamas jos modeliavimas. Pagrindinis disertacijos tikslas – ištirti nedidelės galios kogeneracinės jėgainės šilumos akumuliacinės talpos veikimo režimų ypatumus, sudaryti algoritmą, padedantį parinkti tokios talpos tūrį ir pateikti modelį, leidžiantį nustatyti šiluminę stratifikaciją akumuliacinėje talpoje bet kuriuo jos veikimo metu.

Orientador: Alcides Padilha / Banca: Celso Luiz da Silva / Banca: Marcos Pinotti Barbosa / Resumo: Devido à extrema necessidade de se diversificar as fontes de energia renováveis, torna-se necessário a busca por métodos de reciclagem de energia pela utilização de rejeitos térmicos de equipamentos. Assim, o aproveitamento desses rejeitos pode ser utilizado, como uma nova fonte de energia, para o aquecimento de água e armazenamento da mesma em reservatório para uso doméstico. Devido a isso, é proposta a construção de um aparato experimental de um reservatório de armazenamento térmico cilíndrico, onde o objetivo da pesquisa será o levantamento dos coeficientes de desempenho relativo aos refrigeradores convencional e modificado, além de realizar uma análise da armazenagem da água quente, através da técnica da estratificação térmica utilizando um refrigerador com condensador modificado. O rejeito térmico coletado, através do princípio do termosifão, será armazenado na forma de energia térmica. Os resultados mostraram que os coeficientes de desempenho dos sistemas, calculados pelas técnicas relativas às perdas térmicas teóricas e experimentais, apresentaram grande diferença. Observou-se o comportamento dinâmico das termoclinas, através do efeito da estratificação térmica e a evolução das temperaturas em função do tempo, mostrando maior viabilidade do refrigerador modificado, gerando assim maior conforto térmico aos usuários além de produzir água quente para uso doméstico. / Abstract: Due to the extreme necessity to diversify renewable energy sources, the search for energy recycling methods through the utilization of thermal losses from equipment has become fundamental. Thus, these losses can be used as new source of energy for water heating and storage in Domestic Hot Water Storage Tanks (DHWST). For this reason, the construction of an experimental apparatus with a cylindrical thermal storage tank is proposed, in which the objective of the study will be a survey of the Coefficient of Performance concerning conventional and modified refrigerators, as well as to perform an analysis of hot water, through the thermal stratification technique using a refrigerator with a modified condenser. The collected thermal loss, as per the thermosiphon principle, will be stored as thermal energy. The results showed that the coefficient of performance for the systems, calculated using techniques for theoretical and experimental thermal losses, presented great differences. The dynamic behavior of the thermal distribution was observed through the thermal stratification effect and temperature evolution in terms of time, showing greater variability of the modified refrigerator generating more thermal comfort to users in addition to providing domestic hot water. / Mestre

As lagoas de estabilização compõem sistemas de tratamento de águas residuárias sujeitos à variação de eficiência decorrente, dentre outros fatores, das variações climáticas. A variação de eficiência e da estratificação em lagoas de estabilização, localizadas em ambiente subtropical, em diferentes épocas do ano, foi o principal objetivo dessa pesquisa. Para essa finalidade, a eficiência de dois sistemas de lagoas de estabilização localizadas no Vale do Ribeira de Iguape (SP) - nas cidades de Jacupiranga e Pariquera-Açu - foi determinada, em período sazonal (quatro épocas do ano) e semanal (três dias consecutivos), assim como perfis de temperatura, condutividade elétrica, pH e oxigênio dissolvido e aspectos ambientais (temperatura do ar, radiação solar, direção e velocidade do vento e precipitação) foram mensurados. Além disso, aspectos operacionais, tais como, volume de lodo, de água, vazão e tempo de detenção teórico foram mensurados a fim de caracterizar apenas as lagoas facultativas. Alterações no comportamento sazonal destas variáveis e padrões de similaridade entre eficiência de cada lagoa e estratificação térmica foram analisadas através da ferramenta estatística análise do componente principal (PCA). Observou-se, principalmente, que a variação sazonal de eficiência foi relevante, sendo que, em julho/06 a qualidade do afluente e do efluente foi diferente das outras épocas do ano, ou seja, houve variação sazonal de variáveis físicas e químicas. Variação diária foi observada em janeiro/06, época de maiores precipitações e maior homogeneidade térmica. Na PCA, a estratificação térmica foi significativa, ou seja, esteve relacionada com outras variáveis. A vazão e tempo de detenção, nas lagoas facultativas, estiveram dentro de faixas observadas em outras lagoas de estabilização e o volume de lodo não ultrapassou 3% do volume das lagoas. / Stabilization ponds compose systems of wastewater treatment citizens to the variation of efficiency decurrent, amongst other factors, of the climatic variations. The variation of efficiency and stratification in stabilization ponds, located in subtropical environment, at different seasons, was the main objective. For this purpose, the efficiency of two stabilization ponds systems located in the Vale do Ribeira de Iguape (SP) - in cities as Jacupiranga and Pariquera-Açu - was determined, in sazonal period (four seasons) and weekly (three days consecutive), as well as temperature, electric condutivity, pH and dissolved oxygen profiles and environment aspects had been measured (air temperature, solar radiation, direction and speed of the wind and precipitation). Moreover, operational aspects, such as, volume of sludge, volume of water, outflow and theoretical detention times had been measured in order to characterize only the facultative ponds. Alterations in sazonal behavior of these variables and standards of similarity between efficiency and thermal stratification had been analyzed through the tool statistics análise do componente principal (PCA). It was observed, mainly, that the sazonal variation of efficiency was important, so, in July/06 the quality of the affluent and effluent was different to the other seasons, in other words, it was observed sazonal variation of physical and chemical variable. Daily variation happened in January/06, time of more precipitations and thermal homogeneity. In other analysis with PCA, the thermal stratification was significant and it was related with other variable. The outflow and detention times, in the facultative ponds, had been similar others facultatives ponds and the volume of sludge did not exceed 3% of the volume of water in the ponds.