Desenvolvimento e testes de uma instalação laboratorial para o estudo do comportamento térmico de materiais de mudança de fase (PCM)

Abstract

O objetivo principal deste trabalho é avaliar, por via experimental, o efeito combinado da transferência de calor com mudança de fase, envolvendo condução e convecção natural em regime transiente. Pretende-se também avaliar a influência do efeito de alheta na transferência de calor. Para tal, construiu-se no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra (FCTUC) uma instalação laboratorial para avaliar a transferência de calor através de provetes prismáticos em alumínio (30×30×3 cm) contendo diferentes tipos de materiais de mudança de fase (PCM) no seu interior. Foram realizados ensaios de fusão e de solidificação com um PCM microencapsulado (Micronal DS 5001 X) e com um PCM livre (RT21 – parafina comercial). Os provetes de alumínio foram posicionados verticalmente na instalação, para simular soluções a serem integradas em elementos da envolvente vertical de edifícios. No ensaio de fusão induziu-se um fluxo de calor horizontal numa das faces do provete através de uma resistência elétrica. No ensaio de solidificação utilizou-se uma placa fria, arrefecida por um circuito de água proveniente de um reservatório termostatizado. Durante a fusão do PCM RT21 verificou-se que, numa primeira fase, a condução foi o modo de transferência de calor dominante. A partir de determinado momento, a convecção natural passou a ser dominante. Devido à convecção natural e à variação da densidade das duas fases presentes, ocorre uma estratificação térmica, que leva a que o PCM comece a fundir na parte superior. Na fusão do Micronal DS 5001 X apenas se verificou a transferência de calor por condução. Durante a solidificação dos dois PCMs, o modo de transferência de calor por condução foi dominante. Verificou-se ainda o fenómeno de sub-arrefecimento durante a solidificação do PCM RT21. Através da incorporação de alhetas nos provetes observou-se uma diminuição do tempo necessário para fundir ou solidificar o volume de PCM. O mesmo se verifica relativamente ao efeito do aumento do fluxo de calor durante a fusão do PCM. Os resultados obtidos comprovaram o grande potencial termorregulador dos PCMs.

This work aims to experimentally evaluate the heat transfer coupled with melting/solidification of a phase change material (PCM) contained in single or stacked vertical cavities for building envelope applications. The effect of adding metallic fins, associated with decreasing the height of the cavities, is also analyzed in terms of the solidification and melting processes. For this purpose, an experimental apparatus was designed and built in the Mechanical Engineering Department of the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra. Several test samples made of aluminium were built with outer dimensions of 30×30×3 cm and different number of cavities, to be filled with two kinds of PCMs: a microencapsulated PCM, resembling a white powder (Micronal DS 5001 X), and a non-encapsulated PCM consisting of a commercial paraffin wax (RT21). During the fusion process, a horizontal heat flux was imposed by way of an electrically heated hot plate in contact with one of the sample's faces. During the solidification, a cold plate thermally controlled by cold water from a thermostatic bath was used. It was found that during the melting process of the RT21, conduction was initially the dominant mode of heat transfer, as indicated by an almost linear increase of the PCM temperature. After some time, the free-convection flow ensued in the liquid phase becomes the dominant heat transfer mode and gives rise to a significant thermal stratification in the PCM domain, more pronounced in the sample with a single, tall vertical cavity. The melting of the Micronal DS 5001 X and the solidification of both PCMs are essentially conduction-dominated processes. The incorporation of fins reduces the time needed for the complete fusion and solidification of both PCMs.