Top Banner

of 90

Rezumat Teza de Doctorat - Cailean Adrian Dumitru

Oct 30, 2015

Download

Documents

horga
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
  • UNIVERSITATEA TEHNIC GHEORGHE ASACHI DIN IAI

    coala Doctoral a Facultii de Construcii i Instalaii

    CERCETRI PRIVIND UTILIZAREA FORMELOR REGENERABILE DE ENERGIE N SISTEME

    INTEGRATE DE INSTALAII

    - REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT -

    Conductor de doctorat:

    Prof. univ. dr. ing. Theodor MATEESCU

    Doctorand:

    Ing. Adrian Dumitru CILEAN

    IAI - 2011

  • T]NIVERSITATEA TEHNICA''GHEORGHE ASACHI''DIN IA$IRECTORATUL

    Citre.

    Vi facem cunoscut cdinziua de .......... in Sala de consiliu O.1,Corp R, de la Facultatea de Construcfii si Instalafii din Iagi, Bdul. D Mangeron nr. 43, va avealoc susfinerea publicl atezei de doctorat, cu titlul "CERCETARI PRMI\D UTILIZAREAFORMELOR REGENERABILE DE ENERGIE IN SISTEME INTEGRATE DEINSTALATIf" elaborati de domnul inginer ADRIAN DUMITRU CAILEAN in

    vederea conferirii titlului gtiinlific de doctor inginer.

    Comisia de doctorat este formatd din:

    Prof. univ. dr. ing. NICOLAE TARANUDecanul Facult5lii de Construcfii IagiUniversitatea Tehnic6 "Gheorghe Asachi"din IagiProf. univ. dr. ing. TI{EODOR MATEESCUUniversitatea Tehnici "Gheorghe Asachi" din IagiProf. univ. dr. ing. GRATIELA MARIA TARLEAUniversitatea Tehnica de Constructii BucureqtiProf. univ. dr. ing. ADRIAN RETEZAI\Universitatea POLITEHNICA TimigoaraConf. dr. ing. MARICICA VASILACHEUniversitatea Tehnicd "Gheorghe Asachi" din Iagi

    ION GIURMA

    preqedinte

    conducitor doctorat

    referent oficial

    referent oficial

    referent oficial

    Va trimitem rezumatul tezei de doctorat, cu rugdmintea de a ne comunica inaprecierile gi observaliile dumneavoastrd.

    Cu aceasta ocazie vi invitdm sd participafi la susfinerea publica atezei de doctorat.

    scns

    Secretar universitate.rurll4

    Ing. ffistina Nag61

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    I

    CUPRINS

    Capitolul 1 CONTEXTUL. NECESITATEA. PROBLEMATICA

    CERCETRII. 1

    1.1. Contextul i necesitatea temei abordate 1

    1.2. Obiectivele tezei de doctorat... 3

    1.3. Coninutul tezei de doctorat... 4

    Capitolul 2 METODE DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE. 6

    2.1. Generaliti.. 6

    2.2. Forme de stocare a energiei termice.. 8

    2.3. Concluzii pariale 20

    Capitolul 3 STOCAREA ENERGIEI TERMICE N MATERIALE CU

    SCHIMBARE DE FAZ 21

    3.1. Materiale cu schimbare de faz mediu de stocare. 21

    3.2. Cerine pentru utilizarea materialelor cu schimbare de faz ca

    mediu de stocare.. 24

    3.3. Aspecte restrictive privind utilizarea materialelor cu

    schimbare de faz pentru stocarea energiei termice........ 25

    3.4. Principii conceptuale pentru realizarea sistemelor de stocare

    latent... 29

    3.5. Clasificarea i caracterizarea materialelor cu schimbare de

    faz 30

    3.6. Metode de determinare a proprietilor termofizice ale

    materialelor cu schimbare de faz. 39

    3.7. Forme de utilizare a materialelor cu schimbare de faz. 41

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    II

    3.8. Aplicaii ale materialelor cu schimbare de faz n domeniul

    ingineriei civile i a instalaiilor. 46

    3.9. Concluzii pariale.... 53

    Capitolul 4 BAZE TEORETICE....... 54

    4.1. Ecuaii fundamentale ale transferului termic prin conducie i

    convecie... 54

    4.2. Transferul termic n materialele cu schimbare de faz... 57

    4.3. Comportamentul elementelor de construcii n regim termic

    nestaionar.... 64

    Capitolul 5 CERCETRI NUMERICE I EXPERIMENTALE... 65

    5.1. Cercetri numerice privind comportamentul unei uniti de

    stocare cu material cu schimbare de faz. 65

    5.2. Determinarea experimental a proprietilor termofizice ale

    unor materiale cu schimbare de faz. 85

    5.3. Cercetri experimentale pentru analiza comportamentului

    termofizic al unui element de anvelop realizat din mortar de

    ciment i micronal... 100

    Capitolul 6 CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUII PERSONALE.

    VALORIFICAREA REZULTATELOR.. 114

    6.1 Concluzii generale... 114

    6.2 Contribuii ... 116

    6.3 Valorificarea rezultatelor....... 117

    6.4 Probleme de perspectiv. 119

    ANEXE. 120

    BIBLIOGRAFIE..... 173

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    1

    CAPITOLUL 1

    CONTEXTUL. NECESITATEA. PROBLEMATICA CERCETRII

    1.1. CONTEXTUL I NECESITATEA TEMEI ABORDATE

    n actualul context energetic i climatic global se impune regndirea conceptual a

    cldirilor i a instalaiilor aferente n scopul creterii eficienei energetice i conservrii energiei.

    O serie de instituii guvernamentale i nonguvernamentale au dezvoltat diferite programe

    la nivel naional i internaional avnd ca scop dezvoltarea tehnologiilor de valorificare a surselor

    regenerabile de energie i reducerea treptat a emisiilor de gaze cu efect de ser ce au dus la

    afectarea atmosferei i n consecin la nclzirea global.

    Departamentul pentru studiul schimbrilor climatice globale din cadrul Organizaiei

    Naiunilor Unite a stabilit n raportul prezentat la sfritul anului 2008 dou direcii

    fundamentale n dezvoltarea sectorului cldirilor:

    creterea performanelor energetice a cldirilor pn la nivelul transformrii acestora n

    cldiri pasive;

    utilizarea energiilor regenerabile la scar larg i pe ct posibil ca unice surse de energie

    Tehnologiile de stocare a energiei termice reprezint componente strategice i necesare n

    utilizarea eficient a resurselor regenerabile, care au un mare potenial tehnic de nlocuire a

    combustibililor fosili, prin stocarea de cantiti mari de energie termic care altfel ar fi irosit.

    Astfel stocarea energiei termice este i trebuie considerat o tehnologie important de conservare

    a energiei, i poate juca un rol din ce n ce mai semnificativ n reducerea emisiilor de CO. Energia solar reprezint n momentul de fa cea mai accesibil form de energie

    regenerabil ce poate fi valorificat eficient i la un cost acceptabil. Dei energia solar se afl n

    cantitate practic infinit n mediul nostru, variaia diurn i sezonier a acesteia constituie un

    mare dezavantaj pentru utilizarea n sisteme de instalaii cu exploatare continu. Stocarea

    energiei termice reprezint una din soluiile utile pentru nlturarea acestui dezavantaj, cu

    consecine favorabile de natur tehnico-economic: reducerea costurilor iniiale i a celor de

    mentenan, creterea flexibilitii de operare a instalaiilor i conservarea combustibililor fosili.

    Toate aceste argumente justific dezvoltarea cercetrii i diversificarea soluiilor de

    stocare a energiei termice n scopul valorificrii n sisteme active i pasive.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    2

    1.2. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

    1.2.1. Obiectiv principal

    Principalul obiectiv al tezei de doctorat l constituie analiza unor soluii de stocare a

    energiei solare n materiale cu schimbare de faz utilzate ca mediu de acumulare a energiei

    termice i studiul comportamentului termofizic al acestora integrate n elemente de

    construcie sau de instalaii.

    1.2.2. Obiective secundare

    Ca obiective secundare s-au urmrit:

    analiza stadiului actual al cercetrilor n domeniul stocrii energiei termice n

    materiale cu schimbare de faz;

    identificarea i determinarea proprietilor termofizice ale unor materiale cu

    schimbare de faz, compatibile cu cerinele tehnologice impuse pentru utilizarea lor

    n scopul eficientizrii energetice a cldirilor i instalaiilor aferente;

    simularea comportamentului unor stocatoare cu material cu schimbare de faz

    integrate n sisteme complexe de instalaii pentru producerea agentului termic i

    apei calde menajere, n diferite ipoteze de exploatare;

    analiza experimental a comportamentului termic al unui material compozit

    rezultat dintr-un amestec de mortar de ciment i material cu schimbare de faz

    microcapsulat, nglobat ntr-un element de construcie solicitat la parametri

    climatici variabili;

    Cercetrile au fost efectuate numeric i experimental n cadrul programului doctoral

    desfurat n laboratoarele de specialitate ale Facultii de Construcii i Instalaii de la

    Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai i respectiv n Laboratorul de Inginerie Civil

    i Mediu din cadrul Universitii Artois din Frana.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    3

    1.3. CONINUTUL TEZEI DE DOCTORAT

    Teza de doctorat este structurat pe 6 capitole i 4 anexe, dup cum urmeaz:

    CAPITOLUL 1. CONTEXTUL. NECESITATEA. PROBLEMATICA

    CERCETRII

    Cuprinde analiza contextului energetic i climatic global n care direciile principale

    sunt reprezentate de creterea eficienei energetice i conservarea energiei. Tot n acest capitol se

    prezint i obiectivele tezei de doctorat.

    CAPITOLUL 2. METODE DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE

    n cadrul acestui capitol se prezint succint principalele metode de stocare a energiei

    termice (n cldur sensibil, cldur latent i cldura reaciilor chimice) prezentnd

    principiile termodinamice care stau la baza utilizrii acestora.

    CAPITOLUL 3. STOCAREA ENERGIEI TERMICE N MATERIALE CU

    SCHIMBARE DE FAZ

    Capitolul este consacrat prezentrii stadiului actual al utilizrii materialelor cu

    schimbare de faz pentru stocarea energiei termice, prezentarea principalelor clase de

    materiale i particularitilor acestora, metodele de determinare a proprietilor termofizice,

    criteriilor de selecie i modalitilor de utilizare a acestora n sisteme de stocare active i pasive.

    CAPITOLUL 4. BAZE TEORETICE

    n acest capitol sunt trecute n revist ecuaiile fundamentale specifice transferului de

    cldur conductiv i convectiv, transferul termic n materiale cu schimbare de faz precum i

    relaiile pentru calculul termic al elementelor de construcie.

    Se propune un model pentru calculul schimbtoarelor de cldur agent

    termic/material cu schimbare de faz utilizabile n instalaii solare pentru producerea apei

    calde de consum sau a agentului de nclzire.

    CAPITOLUL 5. CERCETRI NUMERICE I EXPERIMENTALE

    Reprezint partea principal a tezei n care sunt prezentate cercetri numerice i

    experimentale efectuate pentru caracterizarea i utilizarea materialelor cu schimbare de

    faz ca medii de stocare n elemente de construcii i instalaii.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    4

    Cercetrile numerice au avut ca obiect analiza complex a comportamentului unui

    stocator de cldur n material cu schimbare de faz, de concepie original, n diferite

    ipoteze de exploatare.

    Rezultatele modelrii sunt prezentate sub forma spectrelor calitative de temperatur

    precum i prin corelaii cantitative pentru principalii parametri funcionali temperatura,

    viteza de propagare a frontului de schimbare de faz, timpul de ncrcare i capacitatea de

    stocare.

    Cercetrile experimentale au fost efectuate pentru determinarea proprietilor

    termofizice conductivitate termic, cldur specific, cldur latent, difuzivitate, coeficient de

    absorbie i de asimilare termic pentru dou tipuri de materiale cu schimbare de faz

    o sare hidratat (ap, clorur de calciu, clorur de sodiu i aditivi) i respectiv o mixtur

    din mortar de ciment i material cu schimbare de faz microcapsulat de tip

    Micronal DS 5001 X.

    CAPITOLUL 6.

    CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUII.VALORIFICAREA

    REZULTATELOR

    Se prezint concluziile principale rezultate n urma cercetrilor numerice i

    experimentale, modul de valorificare a acestor rezultate i posibile direcii de cercetare

    viitoare.

    O parte a cercetrii bibliografice i rezultatele detaliate ale studiilor numerice i

    experimentale sunt prezentate n anexe, dup cum urmeaz:

    ANEXA I. CENTRE DE CERCETARE NAIONALE I

    INTERNAIONALE N DOMENIUL MATERIALELOR CU

    SCHIMBARE DE FAZ

    ANEXA II. MATERIALE CU SCHIMBARE DE FAZ UTILIZATE CA

    MEDII DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE

    ANEXA III. SPECTRELE DE TEMPERATUR SPECIFICE UNITII DE

    STOCARE STUDIATE NUMERIC

    ANEXA IV. REZULTATELE SIMULRII NUMERICE PRIVIND

    UNITATEA DE STOCARE ANALIZAT

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    5

    CAPITOLUL 2

    METODE DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE

    2.1. GENERALITI

    Tehnologiile de stocare a energiei termice reprezint puncte strategice n utilizarea

    eficient i la scar larg a surselor regenerabile de energie i n conservarea energiei.

    Prin implementarea sistemelor de stocare a energiei termice n aplicaii de nclzire i

    rcire a cldirilor sau n industrie n cadrul diferitelor procese tehnologice se obin o serie de

    beneficii care includ: reducerea consumurilor i costurilor energetice, reducerea costurilor

    iniiale i a celor de mentenan, reducerea puterii instalate a echipamentelor i utilizarea

    eficient a acestora, conservarea combustibililor fosili i reducerea emisiilor de gaze cu efect de

    ser [1,2].

    Metodele de stocare a energiei termice pot fi clasificate n funcie de un numr mare de

    factori i criterii. Dup cum rezult din literatura de specialitate, cele mai importante criterii de

    clasificare a metodelor de stocare a energiei termice sunt:

    durata perioadei de stocare;

    forma de energie sub care este realizat stocarea;

    materialul utilizat ca mediu de stocare.

    2.1.1. Dup durata perioadei de stocare se disting:

    stocare pe termen scurt; stocare pe termen mediu (diurn/sptmnal); stocare pe termen lung.

    2.1.2. Dup forma de energie sub care este realizat stocarea se disting:

    stocare n cldur sensibil; stocare n cldur latent; stocare n cldura reaciilor chimice.

    2.1.3. Materiale utilizate ca medii de stocare

    Reprezint componentele eseniale ale sistemelor de stocare a energiei termice iar

    principalele criterii care stau la baza alegerii lor sunt:

    Proprieti termofizice adecvate; Stabilitate termic i chimic; Cost redus i disponibilitate la scar larg.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    6

    2.2. FORME DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE

    ntruct cel mai important criteriu de clasificare l reprezint forma de energie sub care

    este realizat stocarea cldurii, n continuare sunt detaliate principalele tipuri enunate anterior.

    2.2.1. Stocarea energiei termice n cldur sensibil

    Aceast modalitate presupune stocarea energiei termice prin modificarea temperaturii

    mediului de stocare care poate fi reprezentat de un material solid sau lichid.

    Capacitatea de stocare a unui astfel de sistem depinde de cldura specific a materialului

    utilizat ca mediu de stocare, de cantitatea de material i de ecartul dintre temperatura iniial i

    temperatura final a mediului de stocare [3].

    Energia termic total stocat de un sistem sensibil este evaluat cu expresia [1,4]:

    Q = m C T = C V (T T) (2.1) Un material pentru a fi utilizat ca mediu de stocare sensibil trebuie s posede o bun

    capacitate termic pe unitate de mas i volum i s asigure o bun rat de transfer termic. Cele

    mai comune materiale utilizate ca medii de stocare n cldur sensibil i proprietile specifice

    acestora sunt apa, piatra, solul, betonul.

    2.2.1.1. Stocarea energiei termice n ap

    Datorit cldurii specifice ridicate, abundenei i costului foarte redus apa reprezint cel

    mai bun material utilizat ca mediu de stocare sensibil. Sistemele de stocare care utilizeaz apa

    sunt cele mai comune i sunt utilizate la nivel mondial n diferite instalaii locale i centralizate

    de nclzire i rcire a cldirilor. Apa este utilizat n general n aplicaii cu temperaturi sub

    100C. Peste acest nivel utilizarea acesteia nu mai este la fel de eficient economic datorit

    necesitii rezervoarelor presurizate, fapt care ridic costul iniial al ntregului sistem de stocare.

    La nivel mondial, comercial exist o gam larg de uniti de stocare n ap, cu diferite

    caracteristici geometrice i funcionale i cu capaciti de stocare variabile. n general aceste

    uniti asigur stocarea energiei termice pe termen scurt i mediu.

    2.2.1.2. Stocarea energiei termice n piatr

    Din punct de vedere al disponibilitii i al costului redus piatra reprezint un bun mediu

    de stocare a energiei termice. Comparativ cu apa, capacitatea termic pe unitate de volum se

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    7

    reduce la jumtate, rezultnd rezervoare de stocare cu dimensiuni de aproximativ 3 ori mai mari

    pentru a acumula aceeai cantitate de energie termic, dar are marele avantaj c poate fi utilizat

    ca mediu de stocare la temperaturi mai mari de 100C. Unitile de stocare n pat de piatr sunt

    utilizate n special n sisteme de nclzire cu aer cald.

    2.2.1.3. Stocarea energiei termice n sol

    Sistemele de stocare a energiei termice n sol sunt sisteme utilizate pentru stocarea

    sezonier a cldurii pe timp de var, sau a frigului pe timp de iarn, n scopul utilizrii ulterioare

    a acestora n aplicaii de nclzire i rcire a cldirilor i n diferite procese tehnologice

    industriale. Cercetarea i implementarea acestora a nceput o dat cu anii 70 n special n

    America de Nord i n rile din nordul Europei n vederea conservrii energiei i creterii

    eficienei energetice, i s-au evideniat n principal urmtoarele dou concepte: stocare n strat

    acvifer i stocare n sol prin foraje verticale.

    2.2.2. Stocarea energiei termice n cldur latent

    Un sistem de stocare latent se bazeaz pe cantitatea de cldur absorbit sau cedat

    de mediul de stocare la trecerea dintr-o stare de agregare n alta (schimbare de faz).

    Materialele utilizate ca medii de stocare n cadrul acestor sisteme poart denumirea de

    materiale cu schimbare de faz. Cldura acumulat/cedat de acestea pe durata procesului de

    schimbare de faz este denumit cldur latent i reprezint cantitatea de energie intern

    asociat procesului de schimbare de faz.

    Cldur latent este acumulat/cedat la o temperatur constant sau aproximativ

    constant, denumit temperatur de schimbare de faz.

    Fenomenul de schimbare de faz este caracteristic tuturor materialelor i poate fi de

    diferite forme: solid gaz, lichid gaz, solid solid, solid lichid.

    Materialele cu schimbare de faz solid lichid, prin topire i solidificare,

    acumuleaz/cedeaz cantiti mari de cldur latent i sunt nsoite de variaii mici de volum la

    schimbarea de faz, n general mai mici de 10%.

    Comparativ cu celelalte categorii de schimbri de faz, aceast categorie s-a dovedit a fi

    cea mai atractiv i fezabil, att din punct de vedere tehnic ct i economic, pentru utilizarea n

    sistemele de stocare a energiei termice. Din acest punct de vedere ele reprezint elementul

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    8

    central al sistemelor de stocare n cldur latent, iar cnd vorbim de termenul de material cu

    schimbare de faz, ne referim la cel de tipul solid lichid.

    Energia termic acumulat de un sistem de stocare latent care utilizeaz ca mediu de

    stocare un material cu schimbare de faz solid lichid, se calculeaz cu expresiile [3]:

    F f

    i F

    T T

    ps L pl

    T T

    Q = m C dT+m Q + m C dT (2.2)

    ps F i L pl f FQ = m C (T -T )+m Q +m C (T -T ) (2.3)

    Acest tip de stocare este atractiv datorit disponibilitii sale de a oferi o nalt

    densitate de energie stocat pe unitatea de volum i de a acumula/ceda energia termic la o

    temperatur relativ constant, corespunztoare temperaturii de schimbare de faz a

    materialului utilizat.

    Principalele criterii care stau la baza seleciei materialelor cu schimbare de faz sunt [7]:

    temperatura de schimbare de faz s corespund aplicaiei pentru care este selectat;

    cldur latent ridicat pe unitate de mas;

    cldur specific ridicat;

    conductivitate termic ridicat;

    variaii reduse de volum;

    fr apariia fenomenului de suprarcire;

    stabilitate termic i chimic;

    fr toxicitate, risc exploziv i inflamabil;

    disponibilitate la scar larg i cost redus.

    n mod uzual, nu exist nici mcar un material cu schimbare de faz capabil s satisfac

    toate cerinele prezentate mai sus. Principalele probleme specifice materialelor cu schimbare

    de faz, care trebuie rezolvate pentru utilizarea eficient a acestora se refer la:

    conductivitatea termic sczut, variaiile de volum, segregarea fazei i apariia

    fenomenului de suprarcire.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    9

    Datorit comportamentului complex al materialelor cu schimbare de faz, conceperea i

    realizarea unui sistem de stocare latent implic cunoaterea i corelarea a trei elemente eseniale:

    materialul cu schimbare de faz;

    unitatea de stocare;

    schimbtorul de cldur.

    Materialele cu schimbare de faz utilizate ca medii de stocare a energiei termice, se

    clasific n funcie de natura lor n trei categorii de compui: organici, anorganici i eutectici

    (amestecuri).

    Sistemele de stocare a energiei termice n materiale cu schimbare de faz sunt

    utilizate n diferite sisteme active sau pasive pentru nclzirea i rcirea cldirilor.

    2.2.3. Stocarea energiei termice n cldura reaciilor chimice

    Sistemele de stocare a energiei termice prin intermediul reaciilor chimice se bazeaz pe

    cldura absorbit si degajat la desfacerea si refacerea legturilor moleculare ntr-o reacie

    chimic complet reversibil.

    Principiul de funcionare al unei reacii chimice de acest tip este:

    AB + cldur A + B

    n cadrul procesului de stocare a energiei termice, compusul AB absoarbe cldur pn n

    momentul n care se descompune n compuii A i B. Prin combinarea ulterioar a acestor doi

    compui se obine compusul iniial AB i este cedat cldura stocat iniial.

    Energia stocat depinde de masa materialului de stocare (m), cldura de reacie (h) i gradul de conversie (a), conform relaiei [3]:

    Q = a m h (2.4) Cele mai importante avantaje ale sistemelor de stocare n reacii chimice sunt:

    capacitate de stocare foarte mare comparativ cu sistemele sensibile i latente;

    posibilitatea stocrii energiei termice pe perioade ndelungate fr pierderi termice.

    Stocarea chimic are o larg aplicabilitate n domenii de joas, medie i nalt

    temperatur. Aceste aplicaii sunt reprezentate de: sisteme de nclzire i de rcire a spaiilor,

    sisteme de stocare pe termen lung a energiei solare.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    10

    2.3. CONCLUZII PARIALE

    Tehnologiile de stocare a energiei termice reprezint elemente cheie n vederea

    utilizrii eficiente a surselor regenerabile de energie, interesul utiliztii acestora n diferite

    aplicaii pasive i active de rcire i nclzire a cldirilor este n continu cretere, datorit

    beneficiilor de natur economic i ecologic pe care le aduc.

    Unitile de stocare a energiei termice n ap reprezint cele mai cunoscute i

    dezvoltate tehnologii, aplicate pe scar larg la nivel mondial, fiind utilizate cu preponderen

    pentru stocarea energiei termice pe termen scurt i mediu n sisteme locale i centralizate de

    nclzire i preparare a apei calde de consum.

    Sistemele de stocare a energiei termice n sol (n strat acvifer sau prin foraje verticale)

    sunt utilizate pentru acumularea pe termen lung (sezonier) a cldurii sau frigului, n vederea

    utilizrii ulterioare a acestora n sisteme centralizate.

    Stocarea energiei termice n materiale cu schimbare de faz reprezint o metod care

    a cunoscut o dezvoltare semnificativ n ultimii zece ani, fiind atractiv din punct de vedere al

    cantitii mari de energie termic acumulat de mediul de stocare pe unitate de volum la

    temperatur constant.

    Utilizarea reaciilor chimice pentru stocarea energiei termice reprezint o metod recent

    dezvoltat, i este folosit n sisteme de stocare a energiei solare pe termen lung.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    11

    CAPITOLUL 3

    STOCAREA ENERGIEI TERMICE

    N MATERIALE CU SCHIMBARE DE FAZ

    3.1. MATERIALE CU SCHIMBARE DE FAZ MEDIU DE STOCARE

    Materialele cu schimbare de faz sunt substane care absorb o anumit cantitate de

    cldur la trecerea din stare solid n stare lichid, i o cedeaz n momentul n care revin

    la starea iniial. Aceast cantitate de cldur absorbit/cedat poart denumirea de

    cldur latent. Schimbarea de faz a materialului are loc la o temperatur constant sau

    aproximativ constant, denumit temperatur de schimbare de faz.

    Capacitate de stocare a energiei termice de 3 - 4 ori mai mare dect materialele solide sau

    lichide utilizate ca medii de stocare sensibile (Fig. 3.1).

    Fig. 3.1. Materiale utilizate ca medii de stocare sensibile (ap, granit)

    i latente (parafin, sare hidratat)

    Comparativ cu sistemele de stocare sensibile, sistemele de stocare n cldur latent ofer

    dou mari avantaje:

    realizarea de uniti de stocare cu volume mult mai reduse; temperatur constant de acumulare/cedare a cldurii.

    Studiile realizate n domeniul stocrii energiei termice cu materiale cu schimbare de faz

    vizeaz:

    analiza comportamentului termofizic; dezvoltarea de modele matematice pentru descrierea fenomenelor specifice

    schimbrii de faz; optimizarea geometriei i performanelor unitilor de stocare; identificarea de noi materiale cu proprieti mbuntite.

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    400

    Capacitate de stocare [kJ/kg]

    17 84

    200

    300

    Granit (T=20C) Ap (T=20C) Parafin Sare hidratat

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    12

    3.2. CERINE PENTRU UTILIZAREA MATERIALELOR CU

    SCHIMBARE DE FAZ CA MEDIU DE STOCARE

    Un material cu schimbare de faz pentru a putea fi folosit ca mediu de stocare a energiei

    termice trebuie s satisfac o serie de cerine termofizice, cinetice, chimice i economice dup

    cum urmeaz [1,3,4,7,8]:

    3.2.1 Cerine termofizice

    Temperatur de schimbare de faz adecvat;

    Cldur latent ridicat pe unitate de volum;

    Conductivitate termic ridicat;

    Cldur specific ridicat;

    Densitate ridicat;

    Stabilitate ciclic;

    Variaii reduse de volum la schimbarea de faz;

    Vapori de joas presiune;

    3.2.2 Cerine cinetice

    Fr suprarcire;

    Rat de cristalizare ridicat;

    3.2.3 Cerine chimice

    Stabilitate chimic;

    Compatibilitate cu materialele sistemului de stocare;

    Fr toxicitate, risc de incendiu i pericol de explozie;

    3.2.4 Cerine economice

    Cost redus;

    Disponibilitate la scar larg;

    S poat fi reciclat;

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    13

    3.3. ASPECTE RESTRICTIVE PRIVIND UTILIZAREA

    MATERIALELOR CU SCHIMBARE DE FAZ PENTRU

    STOCAREA ENERGIEI TERMICE

    3.3.1. Segregarea fazei

    Capacitatea termic ridicat pe unitate de volum a srurilor hidratate este dificil de

    meninut datorit degradrii acesteia cu fiecare ciclu topire/solidificare. Aceast diminuare a

    capacitii de stocare este rezultatul segregrii materialului, formaiuni din acesta se depun pe

    fundul rezervorului de stocare i nu mai particip la procesul de solidificare. Problema segregrii

    a fost abordat tiinific de o serie de cercettori [1,4,9,10], iar n urma analizelor efectuate de

    acetia s-au evideniat dou modaliti de prevenire: coagularea materialului i ngroarea

    materialului.

    3.3.2. Suprarcirea

    Fenomenul de suprarcire reprezint modificarea temperaturii de solidificare a

    materialului cu schimbare de faz. Cristalizarea materialului va ncepe la o temperatur mult

    inferioar punctului de topire, iar n unele cazuri aceasta poate fi compromis n totalitate. Prin

    aceast suprarcire se influeneaz comportamentul unitii de stocare care nu va mai putea s

    cedeze cldura acumulat la temperatura necesar aplicaiei pentru care a fost selectat, dar i

    cantitatea de energie cedat care va fi inferioar celei acumulate. Pentru diminuarea sau

    eliminarea fenomenului de suprarcire pot fi aplicate dou metode de mbuntire a ratei de

    cristalizare [4,10]: cristalizare intrinsec i cristalizare extrinsec.

    3.3.3. Conductivitatea termic sczut

    Conductivitatea termic sczut reprezint o problem specific aproape tuturor

    materialelor cu schimbare de faz i este un impediment important n vederea utilizrii

    corespunztoare a acestora n sistemele de stocare a energiei termice.

    Pentru utilizarea eficient a sistemelor de stocare trebuie s se asigure o bun rat de

    transfer termic att la acumularea energiei termice ct i la cedarea acesteia. n acest scop au fost

    realizate o serie de cercetri experimentale i numerice care propun diferite metode de

    intensificare a transferului termic n materiale cu schimbare de faz. Aceste metode se

    bazeaz n principal pe introducerea sub diferite forme (aripioare, structuri metalice etc.) a unor

    materiale cu conductivitate termic ridicat (cupru, aluminiu, oel, fribre de carbon etc.) i pe

    realizarea unor materiale compozite.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    14

    3.4. PRINCIPII CONCEPTUALE PENTRU REALIZAREA

    SISTEMELOR DE STOCARE LATENT

    n schema de mai jos se prezint detaliat principalii pai necesari n realizarea unui sistem

    de stocare latent, pornind de la alegerea materialului cu schimbare de faz i a schimbtorului

    de cldur, continund cu teste numerice i experimentale i finaliznd cu un produs comercial.

    Fig. 3.2. Etapele dezvoltrii unui sistem de stocare latent

    Sistem de stocare a energiei termice n cldur latent

    Alegerea materialului cu punct de topire corespunzator temperaturii aplicaiei

    Dezvoltarea schimbtorului de cldur

    Material utilizat ca mediu de stocare

    Materiale utilizate la construcia sistemului

    de stocare

    Investigarea materialului

    Selecia tipului de schimbtor de cldur i a parametrilor

    acestuia

    Proprieti termofizice Caracteristici

    Topire/Solidificare

    Comportament pe termen scurt

    Comportament pe termen lung

    Stabilitate termic ciclic

    Compatibilitatea materialelor

    Durata de via

    Analiza termofizic Cercetri

    experimentale

    Modele de laborator

    Prototipuri

    Uniti pilot

    Integrarea n sisteme de

    nclzire/rcire

    Comparaii Testare n exploatare

    Modelri numerice pentru predicia

    performanei sistemului de

    stocare

    Analiz economic

    Produs comercializat

    Comparaii

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme

    Rezumatul tezei de doctorat

    3.5. CLASIFICAREA

    SCHIMBARE DE FAZ

    Pornind de la compozi

    trei categorii principale: compu

    O reprezentare schematic a principalelor categorii de compu

    prezentat n figura 3.3.

    Fig. 3.3. Clasificarea materialelor cu schimbare de faz

    3.5.1. Compui organici

    Aceast categorie de compu

    termic i chimic, suprarcire sc

    majoritatea materialelor conven

    Din categoria compuilor organici fac parte

    Materiale cu schimbare de

    faz(solid-lichid)

    Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instala

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    15

    CLASIFICAREA I CARACTERIZAREA MATERIALELOR CU

    SCHIMBARE DE FAZ

    Pornind de la compoziia lor chimic, materialele cu schimbare de faz pot fi mprite n

    compui organici, compui anorganici i

    chematic a principalelor categorii de compui i subcategoriile lor este

    Clasificarea materialelor cu schimbare de faz

    Aceast categorie de compui se caracterizeaz n general printr

    i chimic, suprarcire sczut sau inexistent, compatibilitate bun cu

    majoritatea materialelor convenionale i o cldur latent ridicat pe unitate de volum

    ilor organici fac parte parafinele i non-parafinele.

    Materiale cu schimbare de

    lichid)

    Compui organici

    Parafine

    Non-parafine

    Compui anorganici

    Sruri Hidratate

    Sruri

    Metale

    Compui eutectici

    Organic-

    Organic

    Anorganic-

    Anorganic

    Organic-

    Anorganic

    integrate de instalaii

    ing. Cilean Adrian Dumitru

    CARACTERIZAREA MATERIALELOR CU

    ia lor chimic, materialele cu schimbare de faz pot fi mprite n

    i compui eutectici.

    i i subcategoriile lor este

    Clasificarea materialelor cu schimbare de faz

    i se caracterizeaz n general printr-o bun stabilitate

    zut sau inexistent, compatibilitate bun cu

    ionale i o cldur latent ridicat pe unitate de volum.

    Parafine

    parafine

    te

    OrganicOrganic

    AnorganicAnorganic

    OrganicAnorganic

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    16

    3.5.1.1. Parafine

    Reprezint cea mai comun subcategorie de compui organici studiat i utilizat ca

    mediu de stocare a energiei termice sub form latent. Parafinele reprezint o mixtura de

    hidrocarburi saturate cu formula general CnH2n+2 [4]. Parafinele pure au n general un cost de

    producie ridicat, astfel c doar parafinele comerciale, rezultate n urma procesului de distilare a

    petrolului, sunt utilizate n sistemele de stocare. Aceste parafine comerciale sunt constituite

    dintr-o mixtur de hidrocarburi, iar n comparaie cu parafinele pure au puncte de topire mai

    joase i cldur latent diminuat pe unitate de volum.

    Avantajele utilizrii parafinelor ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Disponibile pe un domeniu mare de temperaturi (0 150C);

    Capacitate termic de stocare bun pe unitate de volum;

    Stabilitate chimic i termic;

    Nu apare fenomenul de suprarcire;

    Variaii reduse de volum la schimbarea de faz (~10%);

    Vapori de joas presiune n stare topit;

    Compatibile cu metalele;

    Cost relativ redus;

    Siguran n exploatare.

    Dezavantajele utilizrii parafinelor ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Conductivitate termic sczut (~0.2 W/mK);

    Nu sunt compatibile cu materialele plastice;

    Risc de inflamabilitate.

    3.5.1.2. Non-Parafine

    Aceast clas de compui este reprezentat de o varietate de substane organice care pot fi

    utilizate n stocarea energiei termice: acizi grai, esteri, alcooli, glicoli.

    Acizii grai (CH3(CH2)2nCOOH) sunt cele mai reprezentative i studiate materiale din

    aceast categorie, caracterizai de o cldur latent ridicat pe unitate de volum, dar au un cost de

    producie ridicat, de aproximativ trei ori mai mare comparativ cu cel al parafinelor. Cei mai

    comuni i utilizai acizi grai sunt acidul lauric, acidul miristic, acidul palmitic i acidul stearic.

    Avantajele utilizrii non-parafinelor ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Capacitate termic de stocare bun pe unitate de volum;

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    17

    Stabilitate ciclic;

    Nu apare fenomenul de suprarcire;

    Variaii reduse de volum la schimbarea de faz;

    Dezavantajele utilizrii non-parafinelor ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Disponibile pe un domeniu redus de temperaturi (10 70C);

    Conductivitate termic sczut;

    Instabile la temperaturi ridicate;

    Nu sunt compatibile cu metalele;

    Uor inflamabile;

    Nivel variabil de toxicitate;

    Cost ridicat.

    3.5.2. Compui anorganici

    Materialele cu schimbare de faz de natur anorganic sunt compui care pot fi utilizai

    ca mediu de stocare pentru un domeniu de temperaturi foarte larg, i comparativ cu compuii

    organici acetia dispun de o capacitate termic pe unitate de volum aproximativ dubl i o

    conductivitate termic bun.

    Din aceast categorie de compui fac parte sruri hidratate, sruri i metale.

    3.5.2.1. Sruri hidratate

    Aceste substane sunt compuse dintr-o sare anorganic i molecule de ap, care formez o

    reea cristalin solid, cu formula general ABnH2O [3].

    La schimbarea de faz srurile hidratate se descompun n molecule de ap i o sare

    hidratat (cu mai puine molecule de ap) sau o sare anhidr (far molecule de ap).

    Srurile hidratate sunt materiale adecvate utilizrii ca medii de stocare a energiei termice

    datorit capacitii de stocare ridicate pe unitate de volum i mas.

    Principalul dezavantaj al acestor materiale l reprezint topirea neomogen, apar astfel

    depuneri de material pe fundul rezervoarelor n care sunt nglobate, iar aceste fraciuni de

    material nu vor participa ulterior la refacerea reelei cristaline, rezultnd astfel o degradare a

    capacitii de stocare cu fiecare ciclu topire/solidificare. Aceast topire neomogen poate fi

    ajustat prin procese mecanice, capsularea materialului cu schimbare de faz, adugarea de ap

    n exces, utilizarea unor ageni de ngroare [3,39,40,41,42,43,44,45].

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    18

    Avantajele utilizrii srurilor hidratate ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Disponibile pe un domeniu mare de temperaturi (0 150C);

    Capacitate termic de stocare bun pe unitate de volum;

    Conductivitate termic bun (~0.5 W/mK);

    Stabilitate chimic;

    Variaii reduse de volum la schimbarea de faz (~10%);

    Compatibile cu materialele plastice;

    Cost redus.

    Dezavantajele utilizrii srurilor hidratate ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Topire neomogen;

    Instabilitate termic;

    Apariia fenomenului de suprarcire;

    Nu sunt compatibile cu metalele;

    Uor toxice.

    3.5.2.2. Sruri

    Reprezint materiale alctuite din dou componente chimice, au puncte de topire ridicate

    (>150C), putnd fi astfel utilizate ca medii de stocare a energiei termice n aplicaii cu

    temperaturi foarte mari. Sunt caracterizate de o bun capacitate termic pe unitate de volum

    datorat temperaturilor ridicate la care are loc schimbare de faz. Comparativ cu srurile

    hidratate, au o conductivitate termic la fel de bun n schimb au marele avantaj al topirii

    omogene i astfel al unei foarte bune stabiliti termice.

    Avantajele utilizrii srurilor ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Disponibile pentru temperaturi ridicate (>150C);

    Capacitate termic de stocare bun pe unitate de volum;

    Conductivitate termic bun (~0.5 W/mK);

    Densitate ridicat;

    Stabilitate chimic i termic;

    Suprarcire sczut;

    Variaii reduse de volum la schimbarea de faz (~10%);

    Compatibile cu materialele plastice;

    Dezavantajele utilizrii srurilor ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Nu sunt compatibile cu metalele;

    Uor toxice.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    19

    3.5.3. Compui eutectici

    Materialele eutectice reprezint mixturi de dou sau mai multe componente ce formeaz

    o reea cristalin cu o bun stabilitate termic i chimic. n funcie de natura materialelor din

    care sunt alctuii, compuii eutectici pot fi clasificai n trei categorii: compui eutectici

    organici, compui eutectici anorganici, compui eutectici organici-anorganici.

    Compuii eutectici se caracterizat printr-o capacitate termic ridicat pe unitate de

    volum comparativ cu compuii organici, dar spre deosebire de celelalte categorii de

    compui nu au fost studiate att de intens, astfel datele despre proprietile lor termofizice

    sunt limitate.

    Avantajele utilizrii compuilor eutectici ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Capacitate termic de stocare bun pe unitate de volum;

    Densitate ridicat;

    Stabilitate termic i chimic.

    Dezavantajele utilizrii compuilor eutectici ca medii de stocare [3,4] sunt:

    Date privind proprietile termofizice sunt insuficiente.

    3.6. METODE DE DETERMINARE A PROPRIETILOR

    TERMOFIZICE ALE MATERIALELOR CU SCHIMBARE DE FAZ

    Cunoaterea proprietilor termofizice ale materialelor cu schimbare faz

    reprezint un element esenial pentru conceperea i descrierea comportamentului

    sistemelor de stocare a energiei termice. n literatura de specialitate au fost avansate mai multe

    metode de msurare a proprietilor temofizice ale materialelor cu schimbare de faz iar cele mai

    comune i des utilizate sunt: calorimetria dinamic diferenial (DSC), T-history i placa

    cald.

    3.6.1. Metoda DSC

    Se bazeaz pe nregistrarea variaiei temperaturilor i fluxurilor termice asociate

    materialelor analizate, n funcie de variaia n timp a temperaturii mediului ambiental controlat

    n care sunt nglobate. Pe lng proba supus analizei se introduce i o prob de referin,

    reprezentat de un material cu proprieti termofizice bine cunoscute, care este supus aceluiai

    regim termic. Prin analiza curbelor de variaie ale temperaturilor i fluxurilor termice specifice

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    20

    celor dou probe se determin proprietile termofizice ale materialului cu schimbare de faz.

    Reprezint metoda uzual de determinare a proprietilor termofizice ale materialelor cu

    schimbare de faz. Calorimetrele cu scanare diferenial pot fi construite pe baza a dou

    principii de funcionare: calorimetre pe principiul compensrii puterii sau calorimetre pe

    principiul fluxului termic [4].

    3.6.2. Metoda T-history

    A fost propus de Zhang i col. [47] i este o metod simpl i economic de determinare

    a principalelor proprieti ale materialelor cu schimbare de faz. Aceast metod se bazeaz pe

    compararea curbelor de variaie n timp a temperaturii probei analizate i a probei de referin

    (reprezentat de un material cu proprieti cunoscute) pe durata procesului de rcire a acestora

    ntr-un mediu controlat. Materialul testat i materialul de referin se introduc n tuburi verticale

    identice i echipate cu senzori de temperatur, se aduc n stare lichid, dup care sunt introduse

    ntr-un mediu controlat (uzual ap sau aer) unde sunt lsate s se rceasc i se monitorizeaz

    variaia temperaturii n cele dou probe i n mediul controlat.

    Pe curbele de variaie a temperaturii rezultate se vor putea observa fenomenele specifice

    materialului cu schimbare de faz: rcirea fazei lichide, solidificarea i rcirea fazei solide.

    Prin prelucrarea datelor obinute se poate determina cldura latent, cldura specific n faz

    solid i lichid, precum i conductivitatea termic [4,48,49,50]. Comparativ cu metoda de tip

    DSC unde sunt analizate probe de dimensiuni mici (~10 mg) prin aceast metod se pot

    analiza probe de dimensiuni mai mari, putnd astfel fi analizate i materiale compozite

    neomogene [4].

    3.6.3. Metoda cu placa cald

    Reprezint o metod dezvoltat de Darkwa i Kim [48,51] pentru determinarea

    proprietilor termofizice a dou plci de rigips cu material cu schimbare de faz. Dispozitivul

    experimental utilizat este compus dintr-o surs cald, o surs rece, un fluxmetru i senzori de

    temperatur, ntreg ansamblul fiind izolat termic. Proprietile sunt determinate prin integrarea

    fluxului termic msurat pe durata procesului de schimbare de faz.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    21

    3.7. FORME DE UTILIZARE A MATERIALELOR CU SCHIMBARE DE

    FAZ

    Pentru utilizarea eficient a materialelor cu schimbare de faz n sisteme active i pasive

    de stocare a energiei termice este necesar capsularea acestora. Principalul motiv al capsulrii

    materialelor cu schimbare de faz l reprezint necesitatea de a reine materialul n stare lichid,

    nepermind acestuia s se scurg.

    3.7.1. Materiale capsulate

    3.7.1.1. Macrocapsularea

    Reprezint cea mai comun form de capsulare a materialelor cu schimbare de faz i se

    realizeaz n recipiente cu diametru mai mare de 1 cm, avnd capacitate variabil pornind de la

    civa mililitri pn la civa litri. Aceast capsulare se realizeaz n recipiente de diferite forme,

    din material plastic sau metalic, care sunt selectate n funcie de compatibilitatea cu materialul cu

    schimbare de faz i de aplicaia n care este utilizat.

    Recipientele din material plastic prezint avantajul c pot fi realizate sub o varietate de

    forme i sunt utilizate n special n cazul materialelor anorganice datorit compatibilitii cu

    acestea.

    Cele metalice asigur o bun rat de transfer termic, o rezisten mecanic ridicat i pot

    fi utilizate n mod special n cazul materialelor organice, dar sunt limitate din punct de vedere al

    formei pe care o pot lua.

    Pe lng scopul principal de a reine faza lichid, macrocapsularea aduce i o serie de

    mbuntiri: nu permite interaciunea dintre materialul cu schimbare de faz i mediul n care se

    afl, evitnd astfel posibilele efecte negative asupra mediului i afectarea compoziiei

    materialului cu schimbare de faz; asigur o uoar manipulare a materialului cu schimbare de

    faz n cadrul aplicaiei unde este utilizat; reduce variaiile externe de volum [8].

    3.7.1.2. Microcapsularea

    Este o metod relativ nou de capsulare a materialelor cu schimbare de faz i presupune

    nglobarea acestora ntr-un nveli solid rezultnd capsule cu dimensiuni cuprinse ntre 1 m i

    1000 m. Microcapsulele pot fi obinute prin diferite procese chimice sau fizice [4]. Aceast

    metod este aplicat momentan materialelor cu schimbare de faz care nu interacioneaz cu apa,

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    22

    n special parafina care este utilizat de majoritatea companiilor care produc materiale cu

    schimbare de faz microcapsulate [4,8].

    Comparativ cu macrocapsularea, aceast metod confer dou avantaje suplimentare:

    mbuntete transferul termic dintre materialul cu schimbare de faz i mediu, datorit

    suprafeei exterioare mari a capsulei n raport cu volumul acesteia i asigur o bun stabilitate

    ciclic a materialului datorit limitrii la distane microscopice a fenomenului de segregare a

    fazei [4]. Microcapsularea materialelor cu schimbare de faz ofer posibilitatea ntegrrii

    acestora n alte materiale.

    3.7.2. Materiale compozite

    Integrarea materialelor cu schimbare de faz n structuri compozite se realizeaz cu

    scopul mbuntirii a cel puin unei proprieti a acestuia sau cu scopul creterii capacitaii de

    stocare a unui alt material [4]. Materialele compozite cu material cu schimbare de faz pot fi

    obinute prin dou metode: prin introducerea materialului cu schimbare de faz n structura altui

    material sau prin introducerea unui material n compoziia materialului cu schimbare de faz.

    Compania DuPont a realizat un material compozit alctuit dint-un copolimer n proporie

    de 40% i parafin 60%, care este comercializat sub form de panouri ce pot fi aplicate la plafon

    i perei pentru utilizare ca sisteme pasive de rcire. Un alt tip de material compozit a fost

    investigat i patentat de institutul german de cercetare ZAE Bayern. Acest material compozit este

    compus din grafit n structura cruia se nglobeaz materialul cu schimbare de faz. Materialul

    astfel obinut este disponibil pentru utilzare sub form granular sau de panouri.

    3.7.3. Materiale comerciale

    Materialele cu schimbare de faz disponibile ca produse comerciale au fost concepute i

    realizate pornind de la principalele clase de materiale: parafine, sruri hidratate i substane

    eutectice.

    Compoziia i comportarea materialelor comerciale reprezentnd o mixtur de parafine cu

    un numr diferit de atomi de carbon difer de cea a materialelor pure deoarece apar o serie de

    factori de ordin tehnic, chimic i economic, cum ar fi de exemplu n cazul srurilor hidratate n

    compoziia crora este necesar introducerea de diferii ageni de cristalizare i coagulare.

    Materialele cu schimbare de faz comerciale acoper domeniul de temperaturi cuprins

    ntre -50C i 170C.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    23

    3.8. APLICAII ALE MATERIALELOR CU SCHIMBARE DE FAZ N

    DOMENIUL INGINERIEI CIVILE I A INSTALAIILOR

    3.8.1. Pentru stocarea cldurii/frigului n elemente de construcie

    Cabeza i col. [52] au realizat un studiu experimental privind efectul integrrii n beton

    a unui material cu schimbare de faz microcapsulat cu punctul de topire la 26C i o cldur

    latent de 110 kJ/kg, comercializat de firma BASF sub denumire de Micronal. n acest scop au

    fost realizate dou construcii identice cu dimensiunile 2 m x 2 m x 3 m, cu perei din plci din

    beton cu grosimea de 12 cm pentru a fi testate n condiii climatice reale. Prima are n

    componena acoperiului i a pereilor orientai ctre sud i vest microcapsule de Micronal n

    proporie de 5%. Cea de-a doua construcie a fost realizat ca referin, din plci de beton clasic.

    Ambele cldiri au fost echipate cu aparatur de msur i control pentru monitorizarea

    temperaturii pereilor, aerului interior i nregistrarea fluxurilor termice la nivelul pereilor.

    Comportamentul celor dou construcii a fost monitorizat pe timp de var i toamn iar din

    analiza rezultatelor obinute pentru cele dou cazuri se remarc o mbuntire a ineriei

    termice i o scdere a temperaturii din interiorul pereilor ce conin material cu schimbare

    de faz comparativ cu cei din beton clasic. Pentru funcionarea optim zilnic a pereilor care

    conin material cu schimbare de faz este important rcirea acestora pe timp de noapte.

    3.8.2. Pentru stocarea cldurii/frigului n elemente sau sisteme de instalaii

    3.8.2.1. Sisteme de rcire pasive

    Prin plafon

    Un astfel de sistem de rcire prin plafon a fost conceput i dezvoltat de compania

    Climator din Suedia, spre deosebire de sistemele clasice de acest tip, acesta se ataeaz direct pe

    plafonul din beton. Sistemul utilizeaz ca material cu schimbare de faz o sare hidrat cu punctul

    de topire la 24C capsulat n sculei din material plastic cu folie de protecie metalic.

    ntreg sistemul este compus dintr-un ventilator, un canal de direcionare a aerului i materialul cu

    schimbare de faz. Sistemul a fost testat 5 ani n exploatare, iar rezultatele obinute arat o

    reducere a temperaturii aerului interior cu aproximativ 4C, fr utilizarea unui alt sistem de

    rcire. Singurul consum de energie al sistemului este generat de ventilator, dar i acesta foarte

    redus.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    24

    Prin pardoseal

    O metod de rcire a spaiilor prin pardoseal utiliznd materiale cu schimbare de faz a

    fost avansat de Nagano i col.[63]. Au realizat o structur de pardoseal cu o suprafa de

    0.5 m, compus din materialul cu schimbare de faz granulat aezat ntr-un strat cu grosimea de

    3 cm, iar peste acesta un strat de parchet cu orificii mici. Sistemul a fost testat ntr-o camer

    climatic i a fost monitorizat variaia temperaturii din camer i cantitatea de cldur

    acumulat de stratul de material cu schimbare de faz granulat. Rezultatele obinute au artat

    posibilitatea reducerii sarcinii de rcire printr-un astfel de sistem [3].

    3.8.2.2. Sisteme de rcire active

    Compania Calmac a implementat un sistem de stocare a frigului care utilizeaz ca

    material cu schimbare de faz apa. Elementul principal al sistemului l reprezint rezervorul

    de stocare din polietilen, izolat termic, care are n interior un schimbtor de cldur spiralat din

    tuburi de polietilen, imersat n ap. n timpul procesului de acumulare a frigului prin

    schimbtorul de cldur se vehiculeaz agentul frigorific, reprezentat de un amestec de ap i

    etilenglicol n proporie de 25%, care este rcit n prealabil la o temperatur inferioar punctului

    de nghe al apei prin intermediul unui chiller. Procesul de acumulare a frigului se realizeaz n

    timpul nopii prin circulaia agentului prin schimbtor prin transformarea apei din rezervor n

    ghea n proporie de 95%, care este utilizat apoi pentru rcirea spaiilor, prin extragerea

    frigului cu acelai schimbtor de cldur. Eficiena economic a acestui sistem este dat de faptul

    c este ncrcat n intervalele orare n care energia electric are un cost redus, i este utilizat pe

    intervalele orare n care energia electric are un cost ridicat.

    3.8.2.3. Sisteme de nclzire prin pardoseal

    Utilizarea materialelor cu schimbare de faz n sistemele de nclzire electrice prin

    pardoseal a fost studiat ntr-o serie de cercetri numerice i experimentale [64,65,66,67,68] n

    vederea reducerii costurilor pentru nclzire, prin acumularea energiei termice pe timp de noapte,

    cnd costul energiei electrice este sczut, i utilizarea acesteia n timpul orelor de maxim

    consum, cnd energia electric are un cost ridicat.

    Un astfel de sistem a fost testat de Kunping i col.[65] i Yinping i col. [69] care au

    realizat un sistem de nclzire prin pardoseal compus dint-un sistem de nclzire electric, plci

    de parafin i un strat de finisare din lemn. Rezultatele obinute au artat c jumtate din

    necesarul de energiei electric pentru nclzire n timpul orelor de mare consum a fost asigurat cu

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    25

    energie electric de pe timpul nopii cnd costul acesteia este redus, rezultnd astfel o important

    reducere a costului total pentru nclzire.

    3.8.2.4. Sisteme de nclzire cu aer cald

    Materialele cu schimbare de faz sunt utilizate i n sistemele de nclzire cu aer cald.

    O astfel de instalaie a fost realizat de Centrul de Cercetare ZAE Bayern mpreun cu compania

    Grammer i a constat n integrarea unei uniti de stocare compus din 19 module de stocare de

    tip ClimSel avnd ca material cu schimbare de faz o sare hidrat cu punctul de topire la 32C.

    Aceast unitate de stocare este ncrcat pe timpul zilei de la un sistem de panouri solare cu o

    suprafaa de captare de 20 m2 . Energia termic astfel acumulat este utilizat pe timp de noapte

    pentru nclzirea aerului proaspt introdus n cldire. Din msurtorile efectuate pe durata a trei

    ani de utilizare reiese c temperatura aerului proaspt a fost ridicat cu valori cuprinse ntre 5 i

    8C prin intermediul unitii de stocare a energiei termice.

    3.8.2.5. Stocarea energiei termice solare

    Pentru utilizarea materialelor cu schimbare de faz n sistemele de nclzire i preparare a

    apei calde de consum au fost dezvoltate rezervoare de stocare compacte cu schimbtoare de

    cldur tip eav pe care sunt ataate aripioare pentru mbuntirea transferului termic i

    rezervoare mixte ap material cu schimbare de faz introdus modular n acestea.

    Un astfel de rezervor de stocare a fost dezvoltat i implementat de compania Alfred

    Schneider GmbH cu dimensiunea de 750 x 750 x 1590 mm i utilizeaz ca material cu schimbare

    de faz o sare hidratat. Greutatea total a rezervorului de stocare este de 1165 kg i asigur o

    capacitate de stocare de 439 MJ pe intervalul de temperaturi cuprins ntre 40C i 100C. Puterea

    de nclzire a sistemului de stocare este de 1.7 kW cu temperatura de 47C pe retur i 52C pe

    tur [4].

    Mehling i col. [70,71,72] au studiat efectul integrrii de module cu material cu

    schimbare de faz ntr-un rezervor de stocare cu ap, pentru mbuntirea densitii de

    stocare. Rezervorul testat are o capacitate de 550 litri, iar la partea superioar a acestuia au fost

    introduse modulele cu material cu schimbare de faz cu o capacitate total de 33 litri. Materialul

    cu schimbare de faz utilizat este un material compozit, grafit-NaOAc3H2O, care pe intervalul

    de temperatur 40 70C mrete capacitatea de stocare a ntregului rezervor cu 14% . n zona

    superioar a rezervorului, unde se afl modulele de material, capacitatea de stocare crete cu

    41%, iar n cazul absenei radiaiei solare, din zona modulelor se poate asigura necesarul de ap

    cald de consum pentru o perioad de aproximativ dou zile.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    26

    3.9. CONCLUZII PARIALE

    Investigarea materialelor cu schimbare de faz ca medii de stocare a energiei termice

    reprezint o direcie de cercetare intens abordat de oamenii de tiin n ultimele decenii, iar

    studiile din domeniu au vizat comportamentul termofizic al acestora, dezvoltarea de noi

    materiale i mbuntirea celor existente, dezvoltarea i optimizarea unitilor de stocare

    ce utilizeaz materiale cu schimbare de faz.

    Materialele cu schimbare de faz se impart n trei categorii principale de compui:

    organici, anorganici i eutectici. Dintre materialele cu schimbare de faz specifice acestor

    categorii de compui, cele mai cercetate i implementate ca produse comerciale sunt parafinele

    i srurile hidratate.

    Principalele probleme ce impiedic utilizarea eficient a materialelor cu schimbare de

    faz sunt conductivitatea termic sczut, apariia fenomenului de segregare i

    suprarcirea fazei. Pentru eliminarea acestor probleme au fost propuse i cercetate diferite

    metode de mbuntire a transferului termic i stabilizare termic i chimic.

    Pentru utilizarea eficient a materialelor cu schimbare de faz, s-au dezvoltat diferite

    metode de capsulare (macrocapsulare i microcapsulare) i nglobare n diferite structuri

    compozite (materiale compozite). Microcapsularea materialelor cu schimbare de faz

    reprezint o tehnologie dezvoltat recent, care deschide noi posibiliti n vederea utilizrii

    eficiente a acestor materiale.

    Din punct de vedere conceptual, pentru realizarea unui sistem de stocare latent trebuie

    s se in cont de trei elemente eseniale: materialul cu schimbare de faz, configuraia

    unitii de stocare i schimbtorul de cldur utilizat.

    Tehnologiile de stocare a energiei termice n materiale cu schimbare de faz, sunt

    implementate n sisteme active i pasive de racire i nclzire n domeniul ingineriei civile.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    27

    CAPITOLUL 4

    BAZE TEORETICE

    4.1. ECUAII FUNDAMENTALE ALE TRANSFERULUI TERMIC PRIN

    CONDUCIE I CONVECIE

    4.1.1. Transferul termic prin conducie

    Ecuaia fundamental a conduciei termice n regim staionar i unidirecional,

    exprimat cu ajutorul relaiei lui Fourier este [75,76,78]:

    q = S(Tsi-Tse)td

    [W] (4.1)

    Ecuaia de conservare a energiei [76,77,78]:

    Tt = 1r r r Tr + 2T

    z2 (4.2)

    4.1.2. Transferul termic prin convecie

    Ecuaia fundamental a conveciei termice, exprimat prin relaia lui Newton

    [79,80,81]:

    q = STp-Tfl [W] (4.3) Ecuaia de conservare a masei [76,78]:

    1

    r

    r (rvr)+ vzz = 0 (4.4)

    Ecuaiile de conservare a impulsului [76,78]:

    vrt

    + vrvrt

    + vzvrz

    = - pr

    + 1r

    r r vr

    r + 2vr

    z2-

    vrr2

    + gr (4.5)

    vzt

    + vrvzr

    + vzvzz

    = - pz

    + 1r

    r r vz

    r + 2vz

    z2 + gz (4.6)

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    28

    Ecuaia de conservare a energiei [76,78]:

    Tt + vr Tr + vz Tz = 1r r r Tr + 2T

    z2 (4.7)

    4.2. TRANSFERUL TERMIC N MATERIALE CU SCHIMBARE DE

    FAZ

    4.2.1. Ecuaia de transfer termic la interfaa solid - lichid

    Pe durata procesului de topire, materialul cu schimbare de faz acumuleaz energie

    termic sub form de cldur latent, iar ecuaia de conservare a energiei ce descrie acest proces

    care apare la interfaa solid lichid a fost stabilit de ctre Stephan i are urmtoarea form

    [3,82]:

    Q! dXdt = % T%t & T&t (4.8) 4.2.2. Metoda capacitii termice efective

    O problem important asociat cu modelarea numeric a comportamentului materialelor

    cu schimbare de faz o reprezint stabilirea poziiei frontului de schimbare de faz i luarea

    n considerare a cldurii latente ce nsoete procesul de topire al materialului.

    Definirea acestor parametrii se realizeaz prin intermediul metodei capacitii termice

    efective.

    n cadrul metodei capacitii termice efective, cldura specific efectiv a materialului

    (CPeff) este direct proporional cu energia acumulat/cedat n timpul procesului de schimbare

    de faz i invers proporional cu ecartul de temperatur n care are loc procesul de topire sau

    solidificare [78,83].

    Pe durata procesului de schimbare de fat cldura specific a materialului cu schimbare

    de faz va fi de forma [83]:

    C'( = Q!(T T)) + C% + C&2 (4.9)

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    29

    Cldura specific corespunztoare materialului cu schimbare de faz va fi definit astfel:

    Cp = ,-.-/ C% ; T < T)Q!(T T)) + C% + C&2 ; T) < T < 2 C&; T < 2

    3 (4.10)

    4.3. COMPORTAMENTUL ELEMENTELOR DE CONSTRUCII N

    REGIM TERMIC NESTAIONAR

    Comportarea materialelor n regim nestaionar poate fi determinat prin intermediul unor

    parametri, ale cror valori sunt direct influenate de caracteristicile principale ale transferului

    termic: densitatea, , cldura specific, c i conductivitatea termic, [84].

    Difuzivitatea termic exprim capacitatea unui material de a transmite o variaie de

    temperatur ce se nregistreaz pe una din suprafee [84]:

    a = c ms (4.11) Coeficientul de absorbie a cldurii (efuzivitatea termic) reprezint cantitatea de cldur

    acumulat ntr-un ciclu de variaie a temperaturii determinat n timp [84]:

    b = 7c W s9)/m K (4.12) Coeficientul de asimilare termic a unui material [84]:

    s = (4.13) Rezistena termic la transfer termic prin conducie [84]:

    Rc = m KW (4.14)

    Ineria termic reprezint numrul undelor de temperatur ce ptrund n grosimea

    elementului i permite aprecierea capacitii de acumulare i cedare a cldurii [84,85,86]:

    D = Rcs (4.15)

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    30

    CAPITOLUL 5

    CERCETRI NUMERICE I EXPERIMENTALE

    5.1. CERCETRI NUMERICE PRIVIND COMPORTAMENTUL UNEI

    UNITI DE STOCARE CU MATERIAL CU SCHIMBARE DE

    FAZ

    Obiectivul cercetrii numerice l reprezint analiza unei uniti de stocare de

    concepie original destinat pentru integrare n sisteme complexe de instalaii locale, n

    scopul producerii agentului termic i/sau apei calde de consum utiliznd energie solar sau

    geotermic, cu capacitate de stocare ntre 139MJ i 159MJ, n funcie de debitul i

    temperatura agentului de lucru.

    5.1.1. Geometria unitii de stocare studiate

    Unitatea de stocare, prezentat n figura 5.1, are o nlime H = 182 cm i un diametru

    exterior de D = 60 cm.

    Aceasta este alctuit din opt tuburi concentrice din cupru cu raze diferite (r1 pn la r8),

    care formeaz patru canale inelare cu grosimea S = 0.5 cm pentru circulaia agentului primar

    (C1, C2, C3, C4) i delimiteaz patru zone intermediare (M1, M2, M3, M4) n care se afl nglobat

    materialul cu schimbare de faz avnd grosimea stratului dM1=10 cm, dM2=dM3 =7 cm, dM4=9 cm.

    Volumul util al unitii de stocare este de 0.47 m3, n care se nglobeaz o cantitate de

    381 kg material cu schimbare de faz.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    31

    a) Unitate de stocare fr extensii ale suprafeei de schimb de cldur

    b) Unitate de stocare cu extensii ale suprafeei de schimb de cldur

    Fig. 5.1 Configuraii geometrice ale unitii de stocare analizate

    A A

    SECTIUNEA A-A

    M2 M3 M4M1

    dM1 dM2 dM3 dM4

    r1

    r2

    r3

    r4r5r6

    r7

    r8

    B-B

    C-C

    D-D

    E-E

    H

    D

    Tagi,qagi

    Tagie,qagie

    di

    di

    C1 C2 C3 C4

    A A

    SECTIUNEA A-A

    dM1 dM2 dM3 dM4

    M2 M3 M4M1

    H

    C1 C2 C3 C4

    D

    r2

    r3

    r4r5r6

    r7

    r8

    Tagi,qagi

    Tagie,qagie

    di

    di

    r1

    agent de lucru

    material cu schimbare de faza

    extensii ale suprafetei de transfer

    a

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    32

    Agentul de lucru este transportat de la sistemul solar la unitatea de stocare prin

    intermediul unei conducte de cupru cu diametrul interior di = 4 cm.

    Pentru intensificarea schimbului de cldur n masa materialului cu schimbare de faz, n

    scopul reducerii timpilor de ncrcare/descrcare, s-a prevzut extensia suprafeei de schimb de

    cldur prin introducerea unui numr variabil de discuri din cupru cu grosimea

    a = 2 mm (Fig. 5.1.b).

    5.1.2. Proprietile materialelor utilizate

    Materialul cu schimbare de faz utilizat ca mediu de acumulare a cldurii latente face

    parte din categoria compuilor organici, respectiv o parafin [87, 88] cu punctul de topire la

    53.5C avnd proprietile termofizice prezentate n tabelul 5.1.

    Cantitatea de parafin nmagazinat n unitatea de stocare, 381 kg, asigur o capacitate de

    acumulare a energiei termice sub form de cldur latent de 101 MJ. Pe lng aceast cantitate

    de cldur, parafina, acumuleaz energie termic i sub form sensibil, care variaz n funcie

    de temperatura din masa sa.

    Structura ntregii uniti de stocare este realizat din cupru, cu proprietile prezentate n

    tabelul 5.1.

    Datorit conductivitii termice sczute a parafinei (0.21 W/mK), pentru intensificarea

    transferului termic, a fost realizat extensia suprafeei de schimb de cldur, prin introducerea de

    discuri din cupru n masa materialului activ.

    Tab.5.1. Proprieti termofizice a materialelor utilizate

    Material TF

    [C] Cp QL

    [kJ/kg] [W/mK] [kg/m3]

    [J/kg K] solid lichid solid lichid

    Parafin 53,5 2500 266 0.21 0.21 810 760

    Cupru - 380 - 401 - 8920 -

    Agentul de lucru utilizat pentru ncrcarea/descrcarea termic a unitii de stocare este

    apa, avnd proprietile prezentate n tabelul 5.2.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    33

    Tab.5.2. Proprietile termofizice ale agentului de lucru

    Temperatur Cp

    [J/kgK]

    [kg/m3]

    [kg/ms]

    60 4193.7 983.4 0.000464

    65 4200.3 981.0 0.000430

    70 4207.2 978.4 0.000401

    75 4214.3 975.6 0.000374

    80 4221.6 972.7 0.000351

    5.1.3. Ipoteze de lucru

    n scopul determinrii caracteristicilor funcionale variaia n timp a cantitii de

    cldur acumulat; gradul de utilizare a capacitii de stocare; viteza de propagare a

    frontului de topire pentru un model cu caracteristici geometrice impuse s-a efectuat simularea

    numeric n regim de funcionare cu sarcin termic constant n urmatoarele ipoteze de lucru:

    5 regimuri de temperaturi ale agentului de lucru: 60C, 65C, 70C, 75C i 80C;

    3 regimuri de debit ale agentului de lucru: 240 l/h, 300 l/h i 360 l/h.

    Din punct de vedere constructiv modelul a fost analizat n urmtoarele configuraii

    geometrice:

    Cu suprafee de schimb de cldur tubulare concentrice avnd patru canale cu

    diametre variabile i grosimi de 5 mm pentru circulaia agentului de lucru;

    Cu aceleai caracteristici geometrice i extensia suprafeei de schimb de cldur n

    masa materialului de stocare cu: 5, 11, 17, 23, 29 i 35 discuri din cupru, rezultnd

    celule cu nlimi ce variaz ntre 5 i 30 cm; corespunztor are loc i creterea

    progresiv a suprafaei de schimb de cldur cu 10%, 25%, 35%, 50%, 60% i

    75%, comparativ cu situaia iniial unde suprafaa de schimb de cldur este de

    12.5 m2.

    Comportamentul unitii de stocare a fost simulat numeric n regim nestaionar pe

    durata a 12 ore de ncrcare continu.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    34

    5.1.4. Modelarea numeric

    n cadrul studiului numeric a fost aplicat metoda elementului finit (MEF) utiliznd

    programul COMSOL Multiphysics specializat n probleme de transfer termic i curgerea

    fluidelor.

    MEF presupune divizarea unui domeniu dat n subdomenii sau elemente finite cu

    geometrii simple. Prin aceast metod ecuaiile i sistemele de ecuaii difereniale sunt integrate

    prin calcul numeric pe un anumit domeniu n funcie de condiiile la limit impuse n ipotezele

    de lucru.

    Geometria unitii de stocare a fost realizat i analizat n sistem 2D cu simetrie axial.

    Principalele procese fizice utilizate pentru simularea numeric a comportamentului

    unitii de stocare sunt: fenomenul de schimbare de faz, curgerea fluidelor, transferul termic

    prin conducie i convecie.

    n cadrul modelrii numerice au fost adoptate urmtoarele ipoteze simplificatoare:

    transferul termic n materialul cu schimbare de faz se realizeaz doar prin conducie,

    avnd n vedere faptul c fenomenul de convecie natural care apare n faza lichid este

    neglijat datorit volumului mic de material cu schimbare de faz prezent n

    compartimentele delimitate de extensiile suprafeei de transfer termic i imposibiliti

    migrrii materialului dintr-un compartiment n altul;

    neglijarea variaiei de volum care apare la schimbarea de faz (aproximativ 6%).

    n cazul programului de simulare COMSOL Multiphysics, condiiile la limit sunt

    definite distinct pentru curgerea fluidelor, respectiv pentru transferul termic.

    5.1.4.1. Condiiile la limit n cazul curgerii fluidelor

    Condiia la limit din zona de intrare definete viteza de intrare a agentului de lucru n

    zona de transfer termic i poate fi scris sub forma [89]:

    unde,

    n limita normal care delimiteaz domeniul. n zona peretelui se descrie prezena unui perete solid, n care viteza agentului de lucru

    este zero [89]:

    v = vn (5.1)

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    35

    Condiia din zona de ieire este utilizat pentru a defini comportamentul agentului de

    lucru la ieirea din unitatea de stocare [89]:

    Simetria axial aplicat pentru a beneficia de simetria geometriei analizate, n scopul

    reducerii timpilor de calcul i a resurselor logice necesare.

    5.1.4.2. Condiiile la limit n cazul transferului de cldur

    n zona de intrare se definete temperatura de intrare a agentului de lucru [89]:

    Prin condiia de continuitate se permite fluxului de cldur s treac peste limitele

    interioare ale sistemului n direcia normal [89]:

    Zona de izolare termic se stabilete pentru prevenirea pierderilor termice, acest tip de

    condiie stabilete faptul c gradientul termic n zona izolaiei trebuie s fie zero [89]:

    5.1.4.3. Modelarea procesului de schimbare de faz

    Pentru definirea procesului de schimbarea de faz, topire, s-a utilizat metoda capacitii

    termice efective. n cazul de fa pentru parafin, cu punctul de schimbare de faz la 53.5C, a

    fost adoptat intervalul de temperatur cuprins ntre 53C i 54C ca moment de desfurare a

    procesului de topire/solidificare a materialului cu schimbare de faz.

    Prin aceast metod, cldura specific a materialului cu schimbare de faz utilizat, a fost

    modificat utiliznd ecuaiile 4.9 i 4.10 astfel:

    v = 0 (5.2)

    v + v n = 0 (5.3)

    T = T (5.4)

    nq q = 0 (5.5) q = kT (5.6)

    n. kT = 0 (5.7)

    Cp-para in = $%& 2500 [J/kg K] ; T < 53C268500 6 Jkg K7 ; 53C < 8 2500 [J/kg K] ; T > 54C

    ; < 54C (5.8)

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    36

    5.1.5. Rezultate i discuii

    Corespunztor ipotezelor enunate anterior, rezultatele studiului numeric sunt

    prezentate sub forma unor spectre de temperatur i sub forma unor corelaii cantitative

    ale parametrilor principali care caracterizeaz unitatea de stocare, respectiv temperaturi,

    debite, cantitatea de energie termic stocat i poziia frontului de topire.

    Rezultatele sunt prezentate exemplificativ n cele ce urmeaz i integral n Anexa III i

    Anexa IV.

    5.1.5.1. Variaia temperaturilor

    n figurile 5.2 i 5.3 sunt prezentate comparativ spectrele de temperatur corespunztoare

    unui timp de acumulare a energiei termice de 12 ore n funcie de variaia debitului i

    temperaturii de intrare a agentului de lucru, n cazul unitii de stocare far extensii ale suprafeei

    de schimb de cldur.

    Pentru analiza influenei suprafeei de schimb de cldur n figura 5.4 sunt prezentate

    comparativ spectrele de temperatur corespunztoare debitului de 300 l/h cu temperatura de

    70C pentru geometriile enunate.

    qag = 240 l/h qag = 300 l/h qag = 360 l/h

    Fig. 5.2. Spectrele de temperatur specifice unitii de stocare dup 12 ore de ncrcare n funcie de debitul agentului de lucru, pentru Tag = 70C i suprafaa de schimb de cldur S.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    37

    Tag = 60C Tag = 70C Tag = 80C

    Fig. 5.3. Spectrele de temperatur specifice unitii de stocare dup 12 ore de ncrcare n funcie de temperatura agentului de lucru, pentru qag = 300 l/h i

    suprafaa de schimb de cldur S.

    a) S

    t=3h t=6h t=9h t=12h

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    38

    b) 1.25S

    t=3h t=6h t=9h t=12h

    c) 1.50S

    t=3h t=6h t=9h t=12h

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    39

    d) 1.75S

    t=3h t=6h t=9h t=12h

    Fig. 5.4. Spectrele de temperatur specifice unitii de stocare n timp funcie de variaia suprafeei de schimb de cldur, pentru qag = 300 l/h i Tag = 70C.

    Din analiza spectrelor de temperatur indicate n masa unitii de stocare, rezult:

    cantitatea maxim de energie termic este transferat ctre mediul de stocare, n zona de

    intrare a agentului de lucru i se diminueaz progresiv pe msura avansrii agentului n

    unitatea de stocare;

    cantitatea de energie termic stocat crete proporional cu creterea debitului i a

    temperaturii agentului de lucru;

    transferul termic se intensific prin mrirea suprafeei de schimb de cldur, rezultnd o

    cretere semnificativ a cantitii de energie termic acumulat n materialul cu

    schimbare de faz;

    unitatea de stocare se ncarc neuniform cu energie termic, fenomen sesizabil prin

    vizualizarea poziiei frontului de topire, reprezentat prin liniile de contur de culoare

    neagr din masa materialului cu schimbare de faz.

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    40

    5.1.5.2. Variaia cantitii de energie termic stocat

    n figura 5.5 sunt reprezentate grafic, pentru geometriile analizate, corelaiile

    parametrice pentru cantitatea total de energie termic acumulat n timp, n funcie de

    temperatura i debitul agentului de lucru.

    qag = 240 l/h qag = 300 l/h qag = 360 l/h

    Fig. 5.5. Variaia energiei termice total stocat n timp funcie de debitul i temperatura de intrare a agentului de lucru i suprafaa de schimb de cldur.

    Din analiza grafic a rezultatelor se observ o evident cretere a energiei totale

    stocate, direct proporional cu creterea debitului i a temperaturii agentului de lucru.

    Rezultatele obinute evideniaz o intensificare semnificativ a transferului termic

    prin extensia suprafeei de schimb de cldur. n cazul unei temperaturi de 70C i un debit de

    300 l/h a agentului de lucru, se remarc o cretere a cantitii de energie stocat cu 16%, 30% i

    36% corespunztoare extensiei suprafeei de transfer iniiale cu 25%, 50% i 75%.

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 60C0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 60C0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 60C

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 70C0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 70C0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 70C

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 80C0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 80C0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    QT

    [MJ]

    Timp [h]

    S 1.25S 1.50S 1.75S

    Tag = 80C

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    41

    Corelaiile din figura 5.6 descriu modul de variaie n timp a cldurii acumulate n

    unitatea de stocare att sub form de cldur sensibil ct i latent, pentru un debit de

    intrare a agentului de lucru de 300 l/h.

    Tag = 60C Tag = 70C Tag = 80C

    Fig. 5.6. Variaia energiei termice totale acumulate, sensibil i latent, stocate n timp funcie de temperatura de intrare a agentului de lucru i suprafaa de schimb de cldur, pentru

    qag=300l/h.

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [

    MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [

    MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [

    MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    S

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [M

    J]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.25S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [M

    J]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.25S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Q

    [MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.25S

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [M

    J]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.50S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [M

    J]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.50S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [M

    J]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.50S

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [

    MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.75S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [

    MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.75S0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Q [

    MJ]

    Timp [h]

    Total Latent Sensibil

    1.75S

  • Cercetri privind utilizarea formelor regenerabile de energie n sisteme integrate de instalaii

    Rezumatul tezei de doctorat ing. Cilean Adrian Dumitru

    42

    Analiznd curbele de variaie a cldurii sensibile se observ iniial o cretere progresiv a

    acesteia pn la atingerea cldurii latente, dup care se menine aproximativ constant. Acest

    fenomen se datoreaz faptului c ntreaga sarcin termic transportat de agentul de lucru este

    preluat de materialul cu schimbare de faz sub form de cldur latent n cadrul procesului de

    topire.

    Se evideniaz faptul c timpul necesar ncrcrii complete a unitii de stocare scade

    cu creterea ecartului de temperatur dintre temperatura de intrare a agentului de lucru i

    cea de schimbare de faz. Acest fenomen se observ foarte bine n cazul unei temperaturi a

    agentului de lucru de 80C, cnd unitatea de stocare se ncarc complet ntr-un interval de 8 ore.

    5.1.5.3. Viteza de propagare a frontului de topire

    Pentru analiza vitezei de propagare a frontului de topire n interiorul unitii de stocare,

    au fost adoptate patru seciuni transversale (B-B, C-C, D-D, E-E) la diferite distane

    (0.2m, 0.7m, 1.2m, 1.7m) fa de zona de intrare a agentului de lucru n unitatea de stocare.

    Aceast analiz a fost realizat n cazul utilizrii unitii de stocare fr extensii ale suprafeei de

    schimb de cldur (Fig. 5.1).

    n figura 5.7 se prezint poziia i viteza de propagare a frontului de topire, n cele patru

    seciuni transversale, n timp, funcie de variaia temperaturii agentului de lucru la un debit de

    intrare al acestuia de 300 l/h.

    Din analiza rezultatelor obinute se observ o cretere progresiv a vitezei de

    propagare a frontului de topire n masa materialului cu schimbare de faz, direct

    proporional cu creterea temperaturii de intrare a agentului de lucru. Astfel la

    temperatura de intrare a agentului de 60C, viteza de propagare este de 2.08 mm/h, comparativ

    cu temperatura de intrare a agentului de lucru de 80C unde viteza este de 6.25 mm/h, se observ

    o