Estudo numérico do processo de mudança de fase de PCM em cavidades esféricas

Este trabalho apresenta um estudo numérico do processo de mudança de fase de PCM (Phase Change Material ou Materiais de Troca de Fase) acondicionados em cavidades esféricas. O modelo numérico é bidimensional e composto pelas equações de conservação da massa, da quantidade de movimento, de energia e da fração volumétrica, modeladas através da técnica entalpia-porosidade. A malha computacional é do tipo hexaédrica com refinamentos nas regiões que apresentam os maiores gradientes térmicos e fluidodinâmicos. O modelo numérico foi validado com resultados experimentais e numéricos da literatura. São estudados casos de fusão de PCM RT 35, RT 55 e RT 82 em cavidade esférica com temperatura constante na parede. Os diâmetros das esferas são de 40, 60, 80 e 100 mm e as temperaturas impostas à parede são de 10, 20 e 30°C acima da temperatura de fusão dos PCM. São apresentados resultados de fração líquida e de fluxo de calor resultante dos 36 casos estudados. A pesquisa mostra que PCM com propriedades semelhantes apresentam o mesmo comportamento para fração líquida e fluxo de calor, independentemente de seu ponto de fusão. O aumento da temperatura na parede da esfera é responsável por maiores fluxos de calor e pela diminuição do tempo de obtenção da fração líquida. Comparando as diferenças de temperaturas de 10, 20 e 30°C, a melhor redução percentual do tempo de fusão foi obtida para a temperatura de 20°C. A pesquisa também mostra que o aumento do diâmetro não influencia o fluxo de calor inicial, porém aumentam o tempo de fusão do PCM. Este tempo de fusão pode ser relacionado com o comprimento característico da esfera, independente das temperaturas impostas à parede. Os estudos mostram também que a maior quantidade de armazenamento térmico através do PCM líquido é obtida com a combinação dos maiores diâmetros com as maiores temperaturas. Para obter o cálculo da fração líquida em função do tempo através de uma correlação, os parâmetros envolvidos foram calculados através dos números de Fourier, Stefan, Grashof e Prandtl.