Análise qualitativa da condução axial em sistemas de acumulação de energia térmica sensível com comportamento periódico

Abstract

Os sistemas de acumulação de energia podem ser classificados da seguinte maneira: sistemas de acumulação de calor sensível, calor latente ou químico. Neste trabalho, o objeto de estudo é um sistema de acumulação de calor sensível, com comportamento periódico, que utiliza um meio sólido para acumulação de energia térmica, sem que haja troca de fase. Nesse tipo de sistema, as propriedades térmicas e geométricas do meio são de grande importância. Problemas dessa natureza costumam ser avaliados via Modelo da Capacitância Global, MCG, o qual oferece um tratamento simplificado da condução transiente, desprezando-se gradientes de temperatura no interior do sólido. Visando avaliar qualitativamente os efeitos axiais da transferência de calor, mais precisamente se os mesmos podem ser desconsiderados, compara-se os resultados obtidos pelo MCG com os resultados gerados pelo software comercial COMSOL®, avaliando-se quatro materiais distintos. A literatura especializada dita que os parâmetros-chave na avaliação desse tipo de sistema são energia trocada pelo sólido acumulador e a temperatura do fluido de saída. Para a energia trocada, o desvio relativo não ultrapassou 1,5% para todos os materiais testados. No caso da temperatura, o desvio absoluto tem valores inferiores a 2K para o granito e inferiores a 1K para os demais materiais. Os valores dos desvios entre os resultados obtidos por métodos diferentes evidenciam a concordância entre os mesmos. Esta avaliação contribui para reforçar a aplicação deste modelo simples, MCG, para casos envolvendo esse tipo de acumulador. Além disso, a utilização de modelos simplificados elimina a necessidade de se calcular os gradientes de temperatura ao longo do sólido, mantendo os parâmetros físicos importantes para a resolução do problema, diminuindo a necessidade de recursos computacionais significativos.

Energy storage systems are categorized as thermal sensible, thermal latent or chemical storage systems. In this paper, the object of study is a sensible thermal energy storage system with periodic behavior, which uses a solid medium to storage thermal energy without phase change. The thermal and geometric medium properties play a central role in this kind of system. Problems of this nature are usually evaluated by the lumped capacitance model, which offers a simplified treatment of the transient conduction, disregarding temperature gradients on the solid interior. In this sense, the principal goal is to analyze the heat transfer axial effects, identifying situations that it can be disregarded. So, using four distinct materials, the results obtained from the lumped capacitance model are compared to results generated by the commercial software COMSOL®. The state of art dictates that the key parameters for evaluating this kind of system are the storage material exchanged energy and the fluid outlet temperature. In terms of exchanged energy, the relative deviation does not exceed 1.5% for all tested materials. Similarly for the temperature, the absolute deviation has absolute values bellow 2K for granite and 1K for other materials. The values obtained for deviations infer the concordance between the different methods. This analysis contributes to reinforce the application of the simplified method - the lumped capacitance model - to situations involving this kind of storage system. Furthermore, the simplified method eliminates the calculation of the temperature gradients inside the solid, reducing the computational time, while keeping the important system physical parameters.