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

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

Orientador: Alcides Padilha / Banca: Vicente Luiz Scalon / Banca: Ricardo Fortes de Miranda / Resumo: Este estudo apresenta uma análise numérica dos campos de temperaturas e velocidades d'água durante seu processo de aquecimento via calor sensível no interior de um armazenador térmico cilíndrico, aquecido lateralmente e adiabático em seu topo e base, visando o estudo da condição de operação de um aquecedor de água coletor solar-armazenador integrados (ICSSWH - Integrated Collector-Storage Water Heater). Em uma segunda análise a influência de um defletor interno é estudada pela definição dos campos de velocidades e temperaturas da água. A abordagem numérica é realizada a partir de um modelo bidimensional, transiente, não linear e em coordenadas cilíndricas, discretizada pela técnica de elementos finitos. A construção do modelo é obtida numericamente através de um código computacional desenvolvido em linguagem de programação C. Os resultados numéricos são validados. Análises transientes dos campos de velocidades e temperaturas bem como das temperaturas de mistura e velocidade de carregamento, com e sem parede interna direcionada (defletor interno) são realizadas com a finalidade de estudar a inlfuência da referida parede na convecção livre nessas condições. / Abstract: This study shows a numerical analysis of the temperature and speed fields of water during the process of heating through sensible heat in the interior of a cylindric thermal storage, heated laterally and with adiabatics top and base, in order to study the operational conditions of an integrated collector-storage solar water heater (ICSSWH). In a second analysis a model with an internal baffle is created and temperature and velocity fields are analysed. The numerical study is done taking into consideration a bidimensional, transient non linear research in cylindric coordenates, discretized by the technique of finite elements. Its solution is obtained numerically through a computational code developed in a C programming language. The numerical results are validated. A transient analysis of the spped and temperature fields so as of the mixing temperatures and the charging speed, with or without the infernal baffle are carried out taking into account the aim of studying the influence of the so called wall in the free convection of those conditions. / Mestre