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Authors
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Abstract(s)
This thesis examines the feasibility of Phase Change Material (PCM)-based Thermal Energy Storage (TES) systems designed for use in solar thermal collectors for air heating and food dehydration applications. Through a combination of analytical methods and numerical simulations, the study evaluates the thermal behavior of selected PCM under diverse environmental conditions, focusing on their liquefaction and solidification properties. The simulations were conducted in Ansys Fluent for both summer and winter conditions, using its integrated solar calculator to simulate solar radiation and energy output. Although
the solar calculator required correction to match expected solar irradiance, the results aligned with anticipated outcomes. The findings highlight the efficacy of different PCM in regulating temperature and storing thermal energy during off-sun hours in solar collector applications. Key results demonstrate that while Sodium Sulfate Decahydrate (SSD) performs well for winter applications, requiring 90 kg of material at a cost of €5,42 per m² of solar collector and yielding a 4,84°C temperature difference between the collector
inlet and outlet in peak winter, Iron (III) Sulfate Heptahydrate (ISH) shows stability and efficiency in summer conditions. The ISH requires 112 kg of material, costs €17,38, and achieves a 13,1°C temperature difference between inlet and outlet for peak summer. Both materials exhibit the lowest cost per m² for capturing direct solar irradiance, with SSD demonstrating a phase-change temperature suitable for winter conditions and ISH
performing optimally in summer conditions.
Esta tese examina a viabilidade de sistemas de armazenamento de energia térmica (TES) baseados em materiais de troca de fase (PCM), projetados para uso em coletores solares térmicos para aplicações de aquecimento de ar e desidratação de alimentos. Por meio de uma combinação de métodos analíticos e simulações numéricas, o estudo avalia o comportamento térmico dos PCMs selecionados, com foco em suas propriedades de liquefação e solidificação. As simulações foram realizadas no Ansys Fluen para condições de verão e inverno, utilizando seu calculador solar para simular a radiação solar. Embora o calculador solar exigisse correção para igualar a irradiância solar esperada, os resultados corresponderam aos antecipados. Os achados destacam a eficácia dos diferentes PCMs na regulação da temperatura e no armazenamento de energia térmica durante as horas sem sol em aplicações de coletores solares. Enquanto o sulfato de sódio decaidratado (SSD) apresenta um bom desempenho para aplicações de inverno, exigindo 90 kg de material a um custo de €5,42 e fornecendo uma diferença de temperatura de 4,84°C entre a entrada e a saída do coletor em condições de inverno, o sulfato de ferro (III) heptaidratado (ISH) mostra estabilidade e eficiência nas condições de verão. O ISH requer 112 kg de material, custa €17,38 e alcança uma diferença de temperatura de 13,1°C entre a entrada e a saída do coletor em condições de verão.
Esta tese examina a viabilidade de sistemas de armazenamento de energia térmica (TES) baseados em materiais de troca de fase (PCM), projetados para uso em coletores solares térmicos para aplicações de aquecimento de ar e desidratação de alimentos. Por meio de uma combinação de métodos analíticos e simulações numéricas, o estudo avalia o comportamento térmico dos PCMs selecionados, com foco em suas propriedades de liquefação e solidificação. As simulações foram realizadas no Ansys Fluen para condições de verão e inverno, utilizando seu calculador solar para simular a radiação solar. Embora o calculador solar exigisse correção para igualar a irradiância solar esperada, os resultados corresponderam aos antecipados. Os achados destacam a eficácia dos diferentes PCMs na regulação da temperatura e no armazenamento de energia térmica durante as horas sem sol em aplicações de coletores solares. Enquanto o sulfato de sódio decaidratado (SSD) apresenta um bom desempenho para aplicações de inverno, exigindo 90 kg de material a um custo de €5,42 e fornecendo uma diferença de temperatura de 4,84°C entre a entrada e a saída do coletor em condições de inverno, o sulfato de ferro (III) heptaidratado (ISH) mostra estabilidade e eficiência nas condições de verão. O ISH requer 112 kg de material, custa €17,38 e alcança uma diferença de temperatura de 13,1°C entre a entrada e a saída do coletor em condições de verão.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Thermal energy storage Phase change materials Solar thermal collectors Energy efficiency Sodium sulfate decahydrate Iron (III) sulfate heptahydrate