Simulaçao de sistemas de aquecimento solar com materiais em mudança de fase (MMF) adaptados de resíduos pesados do refino do petróleo sob condiçoes transitórias de insolaçao e demanda

Abstract

Resumo: O uso de energia solar para aquecimento de água tem se demonstrado como uma solução energética ambientalmente amigável por duas razões básicas: reduz o consumo de energia elétrica e de outros combustíveis, e ainda é uma fonte renovável de energia. O presente trabalho visa contribuir para a redução dos picos de demanda de eletricidade através do suprimento de energia térmica nos períodos críticos (por exemplo: água quente para banho no início da noite). A solução proposta é a termo-acumulação de energia solar em Materiais com Mudança de Fase. O material estudado neste trabalho é um resíduo pesado de processo de refino de petróleo. Tais resíduos pesados fazem parte dos passivos ambientais de refinarias. Assim, espera-se que a solução em estudo venha produzir duplo efeito benéfico ao Meio Ambiente Para estudar estas questões, foi desenvolvido um modelo matemático de um sistema de aquecimento de água com um tanque armazenador de energia térmica sensível e latente, que considera a variação temporal da insolação e da demanda de água quente. O modelo incorpora princípios da Termodinâmica e da Transferência de Calor, resultando num conjunto de equações diferencias ordinárias. O sistema é resolvido através do método de Runge-Kutta Vetorial. Foi utilizado um material com mudança de fase de resíduo pesado de refino de petróleo (RPRP) nas simulações. O desempenho do simulador e do RPRP foi balizado e comparado com um material convencional. Os resultados das simulações demonstram ser fisicamente consistentes e que materiais considerados da categoria RPRP podem ser utilizados para armazenamento de energia térmica. Conseqüentemente, alguns RPRP's podem se tornar sub-produtos deixando de ser resíduos. Estudos mais detalhados sobre as características destes resíduos devem feitos para se levantar os parâmetros termo-físicos que venham contribuir para viabilidade econômica desta proposta.

Abstract: Thermal solar energy has been proven to be an environmental friendly energy source for domestic and comercial water heating. The goal of this dissertation is to investigate a solution that considers thermal energy storage as sensible and latent heat in order do make solar thermal energy available when is needed the most. The material considered as phase-change-material (PCM) is a heavy residue of petroleum refining process so that it can also be upgraded to by-product. A mathematical model of a domestic water heater with thermal storage tank was developed. The model considers basic principles of Thermodynamics and Heat Transfer and resulted in system of ordinary differential equations that was further solved numerically by the Runge-Kutta Method. The results show that the model yields reliable and consistent results, and that such heavy residues can be applied in thermal energy storage for solar water heating systems. More investigation should be carried out to verify whether the solution proposed in this dissertation can be economically efficient.