Projeto inverso aplicado à modelagem de sistemas de acumulação de energia térmica sensível

Abstract

Esta Tese desenvolve uma metodologia de dimensionamento para sistemas de acumulação de calor sensível (Sensible Thermal Energy Storage System T3S) baseada na filosofia de Projeto Inverso. O T3S opera como um retificador térmico, alimentado por uma fonte com variação cíclica senoidal da temperatura do fluido de trabalho e entrega uma saída retificada desse mesmo fluido. O objetivo do retificador é proporcionar uma operação estável do sistema, diminuindo picos e vales da fonte de entrada, garantida pelo material de acumulação térmica (Heat Storage Material HSM) disposto em placas planas paralelas. A modelagem escolhida para descrever o T3S é uma formulação global ou lumped, implementada pelo Lumped Element Model LEM, capaz de representar as principais características do sistema de acumulação de calor sensível: a geometria, as propriedades do material de acumulação e a energia térmica transportada pelo fluido. Através da combinação das estratégias one-factor-at-a-time OFAT e line search é encontrada a mínima massa de HSM que garante uma determinada capacidade de retificação (definida pala razão entre as amplitudes da temperatura do fluido na saída e na entrada do T3S). A presente Tese é composta por três artigos. O primeiro (Capítulo 2) aplica a metodologia de planejamento de experimentos Box-Behnken para investigar os desvios do modelo LEM para a amplitude e o deslocamento de fase da temperatura do fluido na saída do T3S em relação a simulações detalhadas em CFD. Os resultados mostram que os desvios para a amplitude são inferiores a 2% em aproximadamente 80% dos casos simulados, enquanto os desvios para o deslocamento de fase não ultrapassam 4%, com apenas um caso fora desse limite. O segundo artigo (Capítulo 3) apresenta a minimização da massa de HSM do T3S para uma condição de operação particularizada. O objetivo é encontrar a menor massa de HSM e sua melhor distribuição (comprimento da placa e distância entre as placas) para retificar a amplitude da temperatura do fluido na entrada, de 30°C, para uma amplitude na saída de 4°C. Infinitas combinações de comprimento e distância entre as placas para a mínima massa de HSM garantem a retificação projetada, porém sempre resultando em um valor ótimo para o Número de Trocas Unitário NTU (4,03) e para a constante de tempo τ (3.230s). O terceiro artigo (Capítulo 4) generaliza os resultados do artigo anterior e apresenta uma metodologia de dimensionamento para T3S operando como um retificador térmico. A aplicação do Projeto Inverso gera uma curva de ajuste para o NTU e outra para o τ, empregadas para dimensionar o T3S submetido a diversas condições de entrada do fluido de trabalho, propriedades do HSM e capacidades de retificação. O caso de estudo apresentado particulariza a obtenção do comprimento, da espessura e da distância entre v as placas do HSM que garantem a retificação projetada, com auxílio de gráficos parametrizados. Os resultados são comparados com simulações pelo método de volumes finitos CFD, mostrando desvios inferiores a 1,5%. O capítulo final sumariza as principais conclusões de cada artigo e propõe o prosseguimento desse estudo.

This Thesis develops a design methodology to optimize a Sensible Thermal Energy Storage System T3S based on the Inverse Problem philosophy. The T3S operates as a thermal rectifier, fed by a working fluid source with time sinusoidal cyclic temperature and delivers a rectified output for the same fluid. The main goal of the rectifier is to provide a stable system operation, reducing the input source peaks and valleys, which is guaranteed by the Heat Storage Material disposed in a set of parallel flat plates. The application of the Inverse Problem methodology allows finding the minimum HSM mass that meets the output imposition for a specified input sinusoidal cyclic function. The T3S is described by a Lumped Element Model LEM, which is able to express the main characteristics of the Sensible Thermal Energy Storage System: geometry, Heat Storage Material properties and air thermal energy. Combining the one-factor-at-a-time OFAT and the line search strategies it is found the minimum HSM mass that ensure the system rectification capacity (defined by the ratio of the fluid temperature amplitudes at outlet and at inlet of the T3S). The present Thesis is composed by three articles. The first one (Chapter 2) applies the Box-Behnken design of experiments methodology to investigate the amplitude and phase deviations of the LEM outlet fluid temperature, compared to detailed simulations in a finite volume method CFD. The amplitude deviations found are less than 2% for approximately 80% of the simulated cases, while the phase deviations do not exceed 4%, with one exceptional case out of this range. The second article (Chapter 3) presents the HSM mass minimization for a particular operational condition. The objective is found the minimum HSM mass and the best configuration (plate length and plate distance) to rectify the inlet fluid temperature amplitude from 30°C to a 4°C fluid outlet temperature amplitude. An infinite combination of plate lengths and distances in respect to the minimum HSM mass ensure the rectification duty, however that combination always converges to optimal values for the Number of Transfer Unit NTU (4.03) and the time constant τ (3,230s). The third article (Chapter 4) generalizes the results of the previous one and presents a design methodology for the optimization of the T3S operating as a thermal rectifier. The application of the Inverse Problem generates individual correlation curves for both NTU and τ, which are employed to design the T3S submitted to different inlet air conditions, HSM properties and rectifying capacities. An example is presented to found the HSM optimal plate length, thickness and spacing that ensure the rectification duty, with the support of parameterized charts. Results are compared to simulations from a finite volume vii CFD code, with deviations below 1.5%. The last chapter collects the main conclusions of each article and proposes further researches of this study.