Universidade de Aveiro

Mestrado Integrado em Engenharia e Gestão Industrial

Tecnologias Avançadas da Produção 2018/2019

Aplicação de Materiais de mudança de fase (PCM’s) e Nanoestruturas de

carbono (CN’s) para armazenamento de energia térmica em tapetes de

aquecimento para derretimento de gelo e neve

Docentes: Discentes:

Victor Neto Catarina Brandão | 79786

Tiago Silva Catarina Chaves | 79669

Bárbara Gabriel Helena Neves | 79594

Jorge Fernandes | 81794

Verónica Pinto | 79610

Aveiro, maio de 2019

TAP 2018/2019

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Índice

1. PCM’s ......................................................................................................................................... 3

2. PCM’s + CN’s em Tapetes de Aquecimento para Derretimento de gelo e neve ...................... 4

3. Incorporação de PCM’s nos tapetes de aquecimento .............................................................. 5

3.1. Escolha do compósito PCM ................................................................................................ 5

3.1.1. Materiais ..................................................................................................................... 5

3.1.2. Modo de Preparação ................................................................................................... 6

3.1.3. Propriedades térmicas ................................................................................................ 6

3.2. Processo de fabrico ............................................................................................................ 6

3.2.1. Cabos elétricos ............................................................................................................ 6

3.2.2. Cabo de PCM ............................................................................................................... 7

3.3. Funcionamento das resistências ........................................................................................ 8

3.3.1. Sem PCM ..................................................................................................................... 9

3.3.2. Com PCM ..................................................................................................................... 9

3.4. Cálculo do tempo que as resistências permanecem ligadas/desligadas ......................... 10

3.5. Caso prático ...................................................................................................................... 13

3.6. Estrutura de Custos .......................................................................................................... 13

4. Referências .............................................................................................................................. 14

TAP 2018/2019

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1. PCM’s

PCM’s (Phase Change Materials) são materiais utilizados devido à sua capacidade de

armazenar ou libertar grandes quantidades de calor, a temperaturas constantes, durante a sua

mudança de fase. [1] Um exemplo de um PCM é a água. À medida que se fornece calor, a T vai

aumentando, mas ao atingir a T de ebulição, a T estagna e para a água transitar de estado, é

necessário calor adicional para quebrar a ligação das moléculas, o denominado calor latente. É

aqui que vai acontecer o armazenamento ou a libertação de energia.

No entanto, a baixa condutividade térmica dos PCM’s limita o uso destes materiais, uma

vez que diminui a transferência de calor associado aos processos de armazenamento e

libertação de energia. De forma a melhorar as propriedades dos PCM’s, procede-se à adição de

CN’s que são nanoestruturas de carbono. Os nanocompósitos preparados pela adição de CN´s a

PCM’s melhoram a condutividade térmica e geralmente não afetam significativamente a

capacidade de calor latente. [1]

Os PCM’s podem ser utilizados como isolante térmico, termorreguladores e baterias

térmicas e são classificados em: orgânicos, inorgânicos e eutécticos.

Figura 2 - Modo de funcionamento de um PCM Figura 1 - Processo de mudança de fase da água

Figura 3 - Classificação dos materiais de mudança de fase

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Para evitar a reação dos PCM’s com os materiais a que são adicionados, bem como o

vazamento destes durante as mudanças de estado, opta-se pelo método de encapsulamento. O

método de encapsulamento consiste em confinar o PCM como um núcleo coberto por uma

casca de outro tipo de material. Além disso, o encapsulamento tem o benefício de aumentar a

área de superfície para transferência de calor, aumentando a condutividade térmica. Existem 3

tipos de encapsulamento: nano, micro e macroencapsulamento dependendo das condições de

cada utilização. [1]

2. PCM’s + CN’s em Tapetes de Aquecimento para Derretimento de gelo e neve

Os tapetes de aquecimento são aplicados entre camadas de asfalto para derretimento de

gelo e neve e assim, aumentar a segurança rodoviária. [3] A aplicação proposta, será introduzir

um cabo com um PCM junto das resistências, que permitirá diminuir o consumo de energia

elétrica no aquecimento do asfalto e, a longo prazo, trazer rentabilidade ao projeto.

Figura 4 - Encapsulamento do PCM

Figura 5 - Efeito dos tapetes de aquecimento

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3. Incorporação de PCM’s nos tapetes de aquecimento

3.1. Escolha do compósito PCM

As parafinas são amplamente utilizadas para aplicações LHTES (Latent Heat Thermal Energy

Storage) devido à sua grande capacidade de armazenamento de calor latente e características

térmicas adequadas, tais como sofrer pouco ou nenhum super arrefecimento, baixa pressão de

vapor e estabilidade térmica e química. Apesar destas propriedades serem desejáveis, as

parafinas possuem baixa condutividade térmica que faz com que as taxas de calor armazenadas

e libertadas sejam inferiores, limitando as suas áreas de utilização. De forma a ultrapassar esta

limitação, têm sido utilizadas matrizes porosas de grafite para melhorar a condutividade térmica

das parafinas.

Tendo em conta os factos descritos, o PCM escolhido foi um shape stabilised PCM,

composto por parafina (n-docosano) absorvida por grafite expandida (EG). Este compósito,

apresenta na sua constituição 10% de EG e foi apresentado como sendo promissor para

aplicações LHTES uma vez que não tem a necessidade de encapsulamento, possui elevada

condutividade térmica, boa temperatura de fusão e uma capacidade de armazenamento de

calor latente satisfatória. [2]

3.1.1. Materiais

✓ Parafina (n-docosano) com temperatura de fusão de 42-44ºC foi obtido da empresa Merck.

✓ Pó de grafite (tamanho médio das partículas: 270 lm, densidade a granel: 300 kg / m3,

condutividade térmica: 2 - 90 W / m K) foi fornecido pela Astas Company (Turquia).

Figura 6 - Colocação dos tapetes de aquecimento no asfalto

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3.1.2. Modo de Preparação

Primeiramente, a grafite expandida (EG) foi preparada a partir de grafite de modo a

maximizar a fração de massa de parafina a ser absorvida pela estrutura porosa. Posteriormente,

o compósito PCM foi preparado por impregnação de parafina líquida na EG. As amostras foram

então filtradas e secas. O compósito foi considerado como sendo um shape stabilised PCM por

não permitir o vazamento da parafina líquida e manter a sua forma no estado sólido mesmo

quando a temperatura do PCM foi superior à temperatura de fusão da parafina.

3.1.3. Propriedades térmicas

O compósito PCM apresenta ponto de fusão

aos 40,2 oC, começando a transitar de fase sólido-

líquido aos 33oC, ficando totalmente líquido aos

51oC e uma capacidade de armazenamento de

calor latente de 178,3 (kJ/kg). A condutividade

térmica do compósito (0,83 W/m.K), tal como

esperado, foi melhorada comparativamente à

parafina pura (0,22 W/m.K).

3.2. Processo de fabrico

3.2.1. Cabos elétricos [4]

Nota: O material que aquece (resistências) não é especificado. No entanto, sabe-se que será um

material com elevada resistividade elétrica, com secção pequena e comprimento elevado de

modo a que aqueça por efeito de Joule.

1) Trefilagem

O primeiro processo na fabricação dos cabos é a trefilagem. Esta consiste em reduzir o

diâmetro do fio do material que aquece de maneira progressiva, até ao diâmetro final

pretendido, e no fim, para aumentar a sua maleabilidade e condutividade o fio passa por um

tratamento térmico chamado recozimento.

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2) Cablagem

A cablagem é o segundo passo, onde os fios do material são agrupados.

3) Isolamento

O terceiro processo na fabricação é o isolamento, onde é colocado um revestimento

isolante sobre o condutor para evitar fugas de corrente. Neste processo, o material de

isolamento funde-se e aplica-se sobre o condutor, continuamente. Os materiais de isolamento

variam consoante as características do cabo e podem ser, por exemplo: PVC, EPR, XLPE, entre

outros. O material de isolamento utilizado no nosso processo é o XLPE.

4) Proteções auxiliares

Para melhorar o nível de proteção do núcleo, este é revestido por uma camada metálica.

Existe uma proteção mecânica, chamada de “armadura” que protege o cabo de agressões

externas sendo, neste caso, de alumínio. E uma proteção elétrica denominada “malha” que isola

os sinais que circulam pelo cabo de possíveis interferências externas.

5) Bainha Exterior

Por fim, o cabo é normalmente revestido com uma cobertura polimérica exterior que o

protege, denominada bainha exterior. Esta bainha isola o interior do cabo de elementos

externos (humidade, etc) que poderiam alterar as suas propriedades elétricas. Neste processo

o material funde-se e é aplicado sobre o núcleo do cabo de forma contínua. Os materiais da

bainha podem ser de natureza distinta e são selecionados em função do nível de proteção

necessária, da flexibilidade final do cabo, do tipo de ambiente de trabalho, entre outros. Neste

caso, PVC.

3.2.2. Cabo de PCM

O PCM será aquecido e extrudido em forma de cabo, ou seja, cilíndrica, com diâmetro

aproximadamente igual ao cabo das resistências, de forma a aumentar a superfície de contacto

com as resistências. Posteriormente, será colocado um revestimento em PVC a englobar todo o

conjunto.

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Posicionamento do PCM

O cabo formado pelo compósito PCM, será posicionado na parte superior, de modo a que

esteja mais próximo da superfície que queremos que seja aquecida, ou seja, da superfície do

asfalto.

De modo a assegurar a correta instalação dos tapetes de aquecimento, é colocada uma

marca no revestimento de PVC, imediatamente por cima do cabo de PCM, indicadora de que os

tapetes devem ser colocados para cima, ou seja, com essa marca visível e, assim, garantir que o

cabo de PCM é a parte que fica mais próxima da superfície do asfalto.

3.3. Funcionamento das resistências

A fim da realização do estudo, foi escolhido o tapete que se encontra na tabela seguinte:

Resistências

PCM

Tabela 1 - Tapete de aquecimento e respetivos dados

Figura 7-Modelação do cabo do tapete de aquecimento com PCM

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Temperatura mínima de instalação: -5 oC

Potência do tapete de aquecimento utilizado: 300W/m2

3.3.1. Sem PCM

Sem o PCM, as resistências funcionam num sistema on-off, ou seja, ligam e desligam

consoante temperaturas pré-definidas. Para um tapete de aquecimento com 300W/m2 as

resistências ligam quando a temperatura ambiente (medida por um sensor) atinge os -5oC e as

resistências aquecerão até à temperatura necessária para manter a superfície do asfalto a 3 oC.

Note-se que, a temperatura ambiente mínima à qual o tapete de aquecimento funcionará, será

de -10 oC, pois são necessários cerca de 230W/m2 para fazer subir a temperatura do asfalto 10

oC. Como o nosso tapete possui 300W/ m2, apenas terá capacidade de reproduzir um diferencial

de temperatura de 13 oC, que será quando a temperatura ambiente é de -10 oC, uma vez que se

pretende que a superfície do asfalto esteja a 3oC. De modo a testar o tapete nas condições limite,

assumiu-se que com -10 oC, as resistências atingem os 60oC, a qual nunca poderá ser

ultrapassada. Portanto, a temperatura das resistências, uma vez ligadas, oscilará entre os 37 oC

(temperatura necessária quando estão -5oC de temperatura ambiente) e os 60 oC (temperatura

necessária quando estão -10oC de temperatura ambiente).

3.3.2. Com PCM

Com o PCM, o funcionamento das resistências será praticamente o mesmo. Quando a

temperatura ambiente for de -5 oC, as resistências ligarão. O que irá acontecer, é que quando a

temperatura do PCM atingir os 33oC, o compósito PCM irá começar a mudar de fase de sólido

para líquido e irá armazenar energia até ao ponto que as resistências aquecerem o suficiente

(ditado pela temperatura ambiente) para manter a superfície do asfalto nos 3oC. Quando as

resistências desligarem e a temperatura destas começar a baixar, o compósito PCM começará a

Tabela 2 - Output do tapete de aquecimento

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libertar energia, permitindo que as resistências estejam mais tempo desligadas. Repare-se que,

o PCM apenas ficará totalmente líquido, caso as temperaturas das resistências atinjam os 51oC,

atingindo-se o potencial da capacidade de armazenamento de calor latente do compósito PCM.

Repare-se que, as resistências ligarão antes do compósito PCM ficar completamente sólido (as

resistências oscilam entre os 37 oC e os 60 oC e o PCM fica totalmente sólido aos 33 oC), fazendo

com que o PCM tenha um funcionamento mais eficiente pois assim, o processo de mudança de

fase torna-se mais rápido, sendo este o objetivo.

3.4. Cálculo do tempo que as resistências permanecem ligadas/desligadas

Todos os cálculos foram feitos considerando que a temperatura ambiente é de -10oC com

as resistências a atingir a sua temperatura limite, ou seja, os 60 oC e para 1m2 de área.

Dados do asfalto:

c=920 J/Kg.K [5]

densidade=1900 Kg/m3 [5]

densidade=𝑚

𝑉

m=1900*(1*0,05) = 95 Kg

E.el=P* Δt

Q=m*c*ΔT

P* Δt= m*c*ΔT

Δt=m∗c∗ΔT

P

Quando a Tamb=-10 oC:

Δt=95∗920∗(3−(−10))

300=63 min

Tempo que as resistências demoram a chegar dos 37 oC (Tamb=-5 oC) aos 60 oC (Tamb=-10 oC).

Δt=95∗920∗(−5−(−10))

300=24,3 min

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Dados do PCM [2]:

Calor latente=178,3 KJ/Kg

Condutividade térmica= 0,83 W/m.K

Densidade= 721 Kg/m3

Dados do tapete [3]:

Coef. de transferência térmica(h)= 23 W/m2.K

Pot: 300 W/m2

Cabo: 20 W/m

Diâmetro do cabo: 7mm

Comprimento de cabo existente em 1m2= 300/20= 15m

QL=m*L

QL-quantidade de calor latente

m-massa

L-calor latente

Volume do PCM=𝜋 ∗ (0,0035)2*15= 0,0006 m3

QL=721*0,0006*178,3=77,13 KJ

ℎ =∆𝑄

𝐴 ∗ ∆𝑇 ∗ ∆𝑡

Figura 8-Funcionamento das resistências sem PCM

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Assumindo que o PCM funciona em condições perfeitas e que descarrega completamente,

conseguirá elevar a temperatura do asfalto em:

∆𝑇 =77130

23∗1∗1458=2,3 K

O tempo que as resistências poderão estar desligadas será de:

Δt=95∗920∗2,3

300=11,17 min

Ou seja, 24,3+11,17=35,47 min

Cálculo da poupança de custos:

Massa de PCM em 1 m2 = 721*0,0006=0,4326 Kg

Output 230 V → 1m2 → 292 W

292/1000 = 0,292 KW

11,17 min → 0.186 h

0,292 KW * 0,186 h * 0.1836 €/kWh (Preço da eletricidade na Alemanha)

= 0,009972€ (Poupança em cada ciclo on-off)

Figura 9-Funcionamento das resistências com PCM

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3.5. Caso prático

Efetuando os cálculos para uma área de 100 m2 e supondo que estão -10oC durante 10h/dia

durante 90 dias:

P=29 200 W

10h → 600 min

SEM PCM: As resistências estarão ligadas durante cerca de metade do tempo, ou seja, 330,3

min:

29,2 KW * 5,505h * 0,1836 €/KWh

=29,51 €

COM PCM: As resistências estarão ligadas apenas durante 281,7 min:

29,2 KW * 4,7h * 0,1836 €/KWh

=25,17€

Poupança/dia=29,51-25,17=4,32€

90 * 4,32 = 388,8€ de poupança/ano

Investimento em PCM: 8,50€ * 100m2 = 850€

850

388,8= 2,2 anos, que significa que o cliente terá um payback em pouco mais de 2 anos, se

investir num tapete de aquecimento com materiais de mudança de fase.

3.6. Estrutura de Custos

Custo de aquisição do PCM + processamento= 15€/Kg

Custo processamento cabo elétrico/m2+ margem de lucro = 85+15=100€

Custo PCM/m2 +margem de lucro= 0,4326*15 = 6,50€+2€=8,50€

Preço de venda= 108,5€/m2

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4. Referências

[1] C. Amaral, R. V.-T. (maio de 2017). Phase change materials and carbon nanostructures for

thermal energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews.

[2] Ahmet Sarı, A. K. (3 de janeiro de 2007). Thermal conductivity and latent heat thermal energy.

[3] DEVI. (s.d.). Obtido de DEVI:

https://devi.danfoss.com/media/1768/devi_am_ground_vglug102.pdf

[4] Fabricação de um cabo elétrico. (2016). Obtido de Docplayer:

https://docplayer.com.br/4964016-Fabricacao-de-um-cabo-eletrico.html

[5] Avaliando a densidade empolada do asfalto quente (CBUQ). (5 de março de 2019). Obtido de

ENGENETO: https://engeneto.com.br/avaliando-a-densidade-empolada-do-asfalto-quente-

cbuq/