Exergetic optimization of a collector-storage system of latent heat

Orientadores: Luiz Fernando Milanez, Alcides Padilha Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo desse trabalho é fazer uma otimização exergética de um sistema térmico de energia solar. Esse sistema é composto por um coletor solar e por um tanque armazenador de água retangular que contém material de mudança de fase distribuído em um conjunto de barras. Esse estudo leva em consideração ambas transferências de calor por condução e convecção para a água no coletor solar, e também o processo de mudança de fase para o PCM no armazenador térmico. Assim, no coletor solar são determinadas a temperatura ótima de saída e vazão mássica ótima da água em função das condições de radiação solar. Além disso, para o tanque armazenador, são determinadas a temperatura ótima de fusão do PCM e o máximo trabalho que pode ser obtido levando em consideração o processo de mudança de fase. O processo de fusão do PCM é analisado por meio de uma solução analítica aproximada. Finalmente, foram feitas uma análise energética e exergética de cada componente do sistema bem como de todo o sistema e foram calculadas eficiências de primeira e segunda lei da termodinâmica. Resultados numéricos de um estudo de caso são apresentados e discutidos. Abstract: This work deals with the exergetic optimization of a solar thermal energy system. This consists of a solar collector and a rectangular water storage tank that contains a phase change material distributed in an assembly of slabs. The study takes into account both conduction and convection heat transfer modes for water in the solar collector, and also the phase change process for the PCM in the storage tank. Thus, in the solar collector, optimal output temperature and optimal mass flow rate are determined as a function of solar radiation conditions. Moreover, for the storage tank, optimal melting temperature and the maximum power output taking into account the phase change process are determined. The melting process in a PCM is analyzed by means of an approximated analytical solution. Finally, energetic and exergetic analysis were done for each system component and for the overall system, and efficiencies of first and second law of thermodynamics were calculated. Results of a numerical case study are presented and discussed. Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica