Análise comparativa de diferentes métodos para a modelação numérica do comportamento de materiais de mudança de fase (PCMs) microencapsulados

Abstract

Os PCMs são materiais que fundem/solidificam a uma temperatura aproximadamente constante, armazenando/restituindo grandes quantidades de calor devido ao calor latente envolvido nos processos de mudança de fase. Deste modo, os PCMs podem ser aplicados no armazenamento de energia térmica e na termorregulação de diferentes sistemas. A modelação do comportamento dos PCMs apresenta vários desafios, nomeadamente a existência de uma fronteira móvel durante a mudança de fase, e das não linearidades relacionadas com a variação das propriedades termofísicas dos PCMs com a temperatura. O efeito da convecção natural no material líquido tem também que ser considerado. Na literatura são descritos diferentes métodos para tratar numericamente a questão da transferência de calor com mudança de fase sólido-líquido dos PCMs. Entre eles, destacam-se o método do termo-fonte e o método da capacidade calorífica efetiva. No primeiro, o calor latente de fusão é tratado como um termo fonte na equação da conservação da energia. Assim, a temperatura é a única variável independente a ser determinada. Outra vantagem do método, é que a mesma equação pode ser considerada para ambas as fases, não sendo necessário determinar a posição da frente de fusão a priori para se resolver o problema. No segundo método, o calor latente de fusão é tratado como uma "falsa" capacidade calorífica durante a mudança de fase. Assim, a mesma equação de conservação da energia poderá ser usada para ambas as fases. Serão avaliadas 4 formas distintas para impor artificialmente a evolução da capacidade calorífica efetiva durante a mudança de fase: perfis triangular, triangular-corrigido e retangular, e a curva da variação do calor especifico efetivo com a temperatura obtida experimentalmente. Resultados experimentais obtidos anteriormente serão utilizados para validar os modelos numéricos desenvolvidos.

PCMs are materials that melt / solidify at an approximately constant temperature, storing / restoring large amounts of heat due to the latent heat involved in the phase change processes. In this way, PCMs can be applied to the storage of thermal energy and thermoregulation of different systems. The modeling of the behavior of the PCMs presents several challenges, namely the existence of a moving frontier during the phase change, and the nonlinearities related to the variation of the thermophysical properties of the PCMs with the temperature. The effect of natural convection on the liquid material must also be considered. In the literature different methods are described to numerically treat the matter of heat transfer with solid-liquid phase change of PCMs. Among them, the thermo-source method and the effective heat capacity method stand out. In the first, latent heat of fusion is treated as a source term in the energy conservation equation. Thus, temperature is the only independent variable to be determined. Another advantage of the method is that the same equation can be considered for both phases and it is not necessary to determine the position of the fusion front a priori to solve the problem. In the second method, latent heat of fusion is treated as a "false" heat capacity during phase change. Thus, the same energy conservation equation can be used for both phases. Four different ways will be evaluated to artificially impose the evolution of the effective heat capacity during phase change: triangular, triangular-corrected and rectangular profiles, and the curve of the actual specific heat variation with the temperature obtained experimentally. Previous experimental results will be used to validate the numerical models developed.