Design and modelling of a thermal storage system for air conditioning applications

Abstract

Em um cenário de grande aderência às tecnologias renováveis e aumento da demanda por refrigeração devido a mudanças climáticas e aquecimento global, tecnologias de termoacumulação (TES) representam um campo crucial. Assim, a aplicação de uma metodologia de projeto para criar novas tecnologias relacionadas à equipamentos de ar condicionado e armazenamento de energia pode ser visto como uma grande oportunidade de inovar e trazer soluções práticas ao mercado. Este trabalho é focado especificamente nas etapas de projeto conceitual e projeto preliminar do processo de desenvolvimento de produto (PDP), com a intenção de desenvolver e validar o conceito de um sistema de armazenamento de energia térmica capaz de suprir 12.000BTU/hr de capacidade frigorífica para um ar condicionado durante 3 horas. Portanto, um número de soluções técnicamente viáveis foi criado, avaliado, e posteriormente identificado a melhor opção dentre eles. Além disso, a metodologia de validação de conceito foi baseada em ambos modelo físico experimental e computacional. Primeiramente, foram feitos dois protótipos como prova de conceito, buscando comprovar o fenômeno físico proposto. Em sequência, um protótipo funcional em escala foi construído, com um planejado sistema de aquisição de dados. Por último, um modelo computacional foi desenvolvido em ambiente Simcenter Amesim®. Como resultado, foi possível comparar os modelos fisico e computacional, apontando melhorias para serem implementadas na etapa de projeto detalhado. Assim, a simulação parametrizada permite avaliar operações do sistema variando parâmetros e arranjos do equipamento. Por fim, a pesquisa comprova a efetividade da utilização do PDP para o desenvolvimento de designs inovadores, além de explorar os campos de modelagem e simulação.

Abstract: In a scenario of high penetration of renewables and increasing demand for cooling due to climate change and global warming, TES (Thermal Energy Storage) plays a crucial role. Therefore, the application of design methodology to create new technologies related to air conditioning applications and energy storage can be seen as a great opportunity to innovate and bring feasible solutions to market. This work is focused specifically in the conceptual and preliminary design phases of the product development process (PDP), in order to develop and validate a concept of a thermal storage system capable to supply a 12,000 BTU/hr air conditioning for 3 hours. Therefore, a number of feasible concepts were created, evaluated, and later identified a best concept. Furthermore, the concept validation methodology was based in both physical and computational models. Firstly, two proof of concepts prototypes were developed, in order to prove the physical phenomena involved. In addition, a functional scale prototype was built with a planned data acquisition. Lastly, a computational model was developed in Simcenter Amesim® environment. As a result, it was possible to compare physical and computational models, suggesting improvements to be carried to detailed design. Also, a parameterized simulation allows to evaluate different system operation parameters and strategies. In conclusion, the research proves the effectivity of PDP for an innovative design, besides explore modelling and simulation field.