Análises paramétricas de trocadores de calor solo-ar acoplados a estruturas galvanizadas
Ano de defesa: | 2022 |
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Universidade Federal de Pelotas
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Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática
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Instituto de Física e Matemática
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Palavras-chave em Português: | |
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Resumo: | Trocadores de calor solo-ar (TCSA) conectam o sistema de ventilação de um edifício a dutos enterrados, visando aproveitar a inércia térmica do solo para resfriar ou aquecer edificações. As capacidades de aquecimento e resfriamento de TCSA dependem de muitos fatores, como clima local, propriedades do solo e projeto da instalação. Este estudo busca avaliar o desempenho térmico de TCSA acoplando os dutos a aletas galvanizadas (com alta condutividade térmica) visando melhorar as trocas térmicas com o solo circundante. Em particular, este trabalho adota as condições do solo e clima (subtropical) da cidade gaúcha de Viamão, cujos dados associados foram obtidos da literatura referente a uma instalação experimental feita naquela localidade. As simulações utilizam um modelo analítico validado, conhecido pela sigla GAEA, o qual depende de estimativas das temperaturas do solo sem os dutos. Nessa dissertação, tais temperaturas são calculadas via resolução numérica da equação de conservação de energia, em regime transiente e em domínios bidimensionais, através de uma combinação dos métodos de elementos finitos e de diferenças finitas. A pesquisa começa avaliando diferentes configurações de aletas sugeridas pela literatura recente. Em cada caso, foram calculadas estimativas para o valor eficaz anual (RMS) do potencial térmico do solo. Assim, considerou-se como melhor resultado o que produziu maior valor RMS com menor custo de material. Em geral, observou-se também um aumento expressivo (de mais de 90%) na eficiência anual dos TCSA com a adoção das aletas. Logo, o trabalho prosseguiu com um estudo paramétrico, verificando as possibilidades de redução do tamanho do duto, mantendo taxas de eficiência superiores a 70%. Assim, os resultados mostram que se pode reduzir em quase metade o tamanho da instalação. Por fim, para melhorar a compreensão da fenomenologia, analisou-se o enriquecimento da condutividade térmica do solo ao redor dos dutos e como isso afeta o potencial térmico dos TCSA. Verificou-se que um aumento indiscriminado da condutividade térmica do solo pode não ser benéfica para os TCSA. Portanto, esse tema demanda mais estudos como os feitos aqui. |
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2023-03-29T23:30:04Z2023-03-29T23:30:04Z2022-02-23OLIVERA, Marcos Rafael Burlón. Análises paramétricas de trocadores de calor solo-ar acoplados a estruturas galvanizadas. 2022. 108 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Matemática) – Instituto de Física e Matemática, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2022.http://guaiaca.ufpel.edu.br/handle/prefix/9200Trocadores de calor solo-ar (TCSA) conectam o sistema de ventilação de um edifício a dutos enterrados, visando aproveitar a inércia térmica do solo para resfriar ou aquecer edificações. As capacidades de aquecimento e resfriamento de TCSA dependem de muitos fatores, como clima local, propriedades do solo e projeto da instalação. Este estudo busca avaliar o desempenho térmico de TCSA acoplando os dutos a aletas galvanizadas (com alta condutividade térmica) visando melhorar as trocas térmicas com o solo circundante. Em particular, este trabalho adota as condições do solo e clima (subtropical) da cidade gaúcha de Viamão, cujos dados associados foram obtidos da literatura referente a uma instalação experimental feita naquela localidade. As simulações utilizam um modelo analítico validado, conhecido pela sigla GAEA, o qual depende de estimativas das temperaturas do solo sem os dutos. Nessa dissertação, tais temperaturas são calculadas via resolução numérica da equação de conservação de energia, em regime transiente e em domínios bidimensionais, através de uma combinação dos métodos de elementos finitos e de diferenças finitas. A pesquisa começa avaliando diferentes configurações de aletas sugeridas pela literatura recente. Em cada caso, foram calculadas estimativas para o valor eficaz anual (RMS) do potencial térmico do solo. Assim, considerou-se como melhor resultado o que produziu maior valor RMS com menor custo de material. Em geral, observou-se também um aumento expressivo (de mais de 90%) na eficiência anual dos TCSA com a adoção das aletas. Logo, o trabalho prosseguiu com um estudo paramétrico, verificando as possibilidades de redução do tamanho do duto, mantendo taxas de eficiência superiores a 70%. Assim, os resultados mostram que se pode reduzir em quase metade o tamanho da instalação. Por fim, para melhorar a compreensão da fenomenologia, analisou-se o enriquecimento da condutividade térmica do solo ao redor dos dutos e como isso afeta o potencial térmico dos TCSA. Verificou-se que um aumento indiscriminado da condutividade térmica do solo pode não ser benéfica para os TCSA. Portanto, esse tema demanda mais estudos como os feitos aqui.Earth-air heat exchangers (EAHE) connect buried ducts to the ventilation system of a building. They aim to take advantage of the ground thermal inertia, which makes it hotter or colder than ambient air at different times. Studying this technology is valuable because EAHE use a renewable thermal energy source and consume little electricity. The heating and cooling capabilities of EAHE depend on many factors such as local climate, soil properties, and facility design. This research seeks to evaluate the thermal performance of EAHE, considering the ducts coupled to galvanized fins (with high thermal conductivity) to improve thermal exchanges with the surrounding soil. In particular, this work adopts the soil and climate conditions (subtropical) from the south Brazilian city of Viamão. The data comes from the literature about an experimental installation built in that location. The simulations use a validated analytical model, known by the acronym GAEA, which depends on estimates of soil temperatures without the ducts. In this dissertation, such temperatures are calculated numerically by solving the energy conservation equation, in the transient regime and two-dimensional domains, through a combination of finite element and finite difference methods. The research started by assessing recent literature suggestions for fin configurations; in each case, estimating the annual root mean square value (RMS) of the soil thermal potential. Thus, the best result was considered the one that produced the highest RMS value and needed less galvanized material. In general, adopting fins caused a significant increase (over 90%) in the annual efficiency of EAHE. Hence, the second part of the work took a parametric study to verify the possibilities of minimizing the duct size, keeping efficiency rates above 70%. In this sense, the results show that the installation size can be reduced by almost half. Finally, to better understand the phenomenology, this work analyzes the soil thermal conductivity enrichment around the duct and how it affects the EAHE thermal potential. The study shows that an indiscriminate increase in soil thermal conductivity may not be beneficial to EAHE performance. Therefore, this topic demands further investigations such as those taken in this manuscript.Sem bolsaporUniversidade Federal de PelotasPrograma de Pós-Graduação em Modelagem MatemáticaUFPelBrasilInstituto de Física e MatemáticaCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICAModelagem matemáticaTrocadores de calor solo-arDutos aletadosPotencial térmicoEficiência térmicaAnálises paramétricas de trocadores de calor solo-ar acoplados a estruturas galvanizadasParametric analysis of heat exchangers soil-air coupled to galvanized structuresinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://lattes.cnpq.br/9148663620203095http://lattes.cnpq.br/0477653233866226Fernando, Honório Joaquimhttp://lattes.cnpq.br/3825141200905886Ramalho, Jairo Valões de AlencarOlivera, Marcos Rafael Burlóninfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPel - Guaiacainstname:Universidade Federal de Pelotas (UFPEL)instacron:UFPELTEXTdissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdf.txtdissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdf.txtExtracted texttext/plain222028http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/bitstream/prefix/9200/6/dissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdf.txt90a407b5763c925378099cc28a7eaf59MD56open accessTHUMBNAILdissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdf.jpgdissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1249http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/bitstream/prefix/9200/7/dissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdf.jpgf6a75c6e0d246ab9f6a2b930d98154e9MD57open accessORIGINALdissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdfdissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdfapplication/pdf4254355http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/bitstream/prefix/9200/1/dissertacao_marcos_rafael_burlon_olivera.pdfadd5242e0e1f99811e88b5f2974ad229MD51open accessCC-LICENSElicense_urllicense_urltext/plain; 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