Desenvolvimento do Permutador de Calor

Uma das linhas de investigação definas no projeto está relacionada com o conceito de permutador de calor e duas características principais: estabilidade da performance térmica durante a carga e descarga e a baixa perda de carga provocada pelo dispositivo na rede de distribuição AQS. A equipa de investigação apresentou um conceito de permutador com um conjunto de parâmetros com influencia direta nestas duas características: a) espessura da alheta b) espessura da parede dos tubos c) diâmetro/quantidade de tubos d) espaçamento entre as alhetas e) condutividade térmica entre a alheta e os tubos. Com base no conceito apresentado e nos parâmetros definidos fez-se uma analise paramétrica e identificou-se um set-up otimizado que foi usada na criação do primeiro protótipo. Para a a construção do primeiro protótipo desenvolveu-se uma ferramenta especifica para produção das alhetas (desenho na imagem al lado) constituída por dois estágios de estampagem, ferramenta usada posteriormente numa balancé manual com o objetivo de testar diferentes combinações no processo de estampagem.

Métodos de Otimização de Performance Térmica

Após a construção do protótipo e validação experimental a equipa concluir que a performance térmica estava abaixo da performance calculada. A analise dos resultados evidenciou que seria necessário considerar uma resistência térmica adicional na ligação entre os tubos e as alhetas para que os resultados teóricos e experimentais estivessem alinhados. Esta situação evidenciou uma limitação no conceito com um forte impacto na estabilidade da temperatura da água à saída quer no processo de carga como no processo de descarga e nesse sentido a equipa de projeto formulou um conjunto de estratégias para melhorar a ligação térmica dos dois materiais e otimizar desta forma a performance global do protótipo. Foram por isso apresentadas 3 soluções conceptuais: a) fazer a montagem com recurso a uma prensa; b) fazer a montagem com recurso ao pré-aquecimento das alhetas e pré-arrefecimento dos tubos; c) aumentar a cota do tubo de cobre após a montagem com recurso a um processo de deformação. Na imagem ao lado apresenta-se o conceito da prensa de montagem de alhetas usada para validação da primeira estratégia.

Com a construção do conceito da prensa de montagem das alhetas a equipa conseguiu reproduzir os resultados teóricos considerando um coeficiente equivalente de transferência de calor tubo-alheta de 25W.m.K-1 (resistência térmica). Com esta etapa a equipa conseguir melhor os resultados de uma forma muito significada, o coeficiente equivalente do primeiro protótipo era 15 vezes inferior, ainda assim os resultados experimentais não permitem assegurar as condições de estabilidade térmica que são necessários para o conceito em desenvolvimento.

A segunda estratégia usada recorreu à contração/retração dos materiais (alumínio e cobre) por aquecimento/arrefecimento e posterior montagem. Foi desenvolvida uma estrutura de montagem do permutador que inclui um sistema de aquecimento que permite que as alhetas atinjam uma temperatura superior a 300ºC, que inclui duas cassetes para montagem das alhetas e um sistema de guia para posterior montagem dos tubos de cobre. Este método de montagem com contração-retração dos materiais revelou ser eficaz nos primeiros testes com segmentos de permutador com cerca de 0,1 metros. A ligação dos materiais evidenciou que o protótipo deveria apresentar resultados substancialmente melhores que os do método anterior, no entanto, quando se passou para segmentos de permutador maiores (cerca de 0,5 metros de comprimento) os tubos não entravam até ao final porque bloqueavam poucos centímetros depois de começarem a entrar mesmo com recurso a um pneumático rápido.

A terceira estratégia proposto baseado no alargamento dos tubos de cobre após a montagem das alhetas apresentou resultados alinhados com os resultados teóricos evidenciando que a limitação do contacto térmico alumínio-cobre foi ultrapassado com este método desenvolvido e respetiva ferramenta criada.

Conceito de bateria térmica integrado na rede AQS

Durante a investigação, a equipa de projeto chegou a uma conclusão fundamental para a definição do conceito geral do Bilt-IN e da sua relação com a rede de distribuição AQS otimizada. Após a análise dos diversos edifícios tipo e possíveis configurações de redes de distribuição AQS, servidas por um circuito de recirculação, a equipa concluiu que nos grandes edifícios, em média, os circuitos de distribuição secundários são responsáveis por mais de 85% das perdas totais dos circuitos de recirculação, ou seja, a recirculação nos circuitos principais de distribuição é responsável apenas por 15% das perdas energéticas destes sistemas.

Conclui-se por isso que, a integração do Built-IN junto ao ponto de distribuição resulta numa poupança energética significativamente superior à sua instalação para correção intermédia da água estagnada na rede principal de distribuição. Para além desta questão das perdas térmicas, também a quantidade de água estagnada na rede principal é substancialmente superior, o que obrigaria a um reforço da capacidade do Built-IN para integração no circuito principal, resultando numa redução significativa do rácio entre o custo do equipamento e o benefício que este gera na melhoria da eficiência da rede de distribuição.
Com base nos desenvolvimentos levados a cabo (otimização da performance térmica do permutador – potência, estabilidade e caudal disponível) e na conclusão referida acima definiu-se que o conceito do Built-IN deveria ter capacidade fixa em vez de ser um sistema modular, conforme sugerido inicialmente.

Com a definição do conceito e da sua relação com os vários edifícios foram propostas duas alternativas para a sua concretização respeitando um conjunto de requisitos e práticas de construção. Por um lado apresentou-se a possibilidade do produto ser integrado numa parede técnica do compartimento a ser servido por água quente, fazendo uma analogia com as caixas de derivação de água usadas nos compartimento e por outro, sugeriu-se o desenvolvimento de um produto para incorporação na zona do teto falso. Estes dois conceitos foram explorados em paralelo porque foram identificadas práticas muito distintas de construção nos vários mercados.

Bancada de utilização simulada

O conceito apresentado incorpora para além da capacidade térmica, um sistema de controlo e comunicação que analise o perfil de consumo e determina a necessidade de em momentos pontuais pedir o apoio ao circuito de retorno por ter sido atingido o liminar mínimo de carga. Nesse sentido e por forma a validar a robustez da solução global foi desenvolvida uma bancada de validação para teste simultâneo de 10 pontos distintos que permite descrever um conjunto de perfis de utilização e características de um dado edifício em cada um destes pontos e analisar a resposta do conjunto de dispositivos nas circunstancias do teste.

A bancada foi assim projetada para poder receber os vários tipos de conceito de bateria térmica que venham a ser desenvolvidos durante o projeto e integra um conjunto de leds nos painéis exteriores que apresentam uma informação visual de quais os pontos que estão a ser solicitadas num dado momento. Toda a informação relativa ao uso e à resposta do sistema é gerida por um controlador que disponibiliza a informação para posterior análise.

A bancada integra um conjunto de sistemas, equipamentos e dispositivos que asseguram as condições de temperatura e caudal dos diversos fluxos de água. Por uma questão de poupança de água, a bancada foi construída em circuito fechado, o que significa que não haverá consumo de água durante a operação da bancada. A bancada é totalmente autónoma não sendo necessária a intervenção de um operador para dar sequencia a um dado plano experimental.

A Figura ao lado, apresenta o projeto do sistema de aquecimento, arrefecimento e bombagem da bancada com os principais componentes que asseguram as condições requeridas para o teste simultâneo dos vários pontos de consumo.

Set/2021 – Apresentação de dissertação de mestrado de Engenharia Mecânica – Universidade de Aveiro

Durante a execução do projeto foi desenvolvida uma tese de mestrado sobre o “Desenvolvimento de bancada experimental e avaliação da performance de permutadores de calor com armazenamento em materiais de mudança de fase (PCM)”. A dissertação será entretanto entregue e quando for conhecido será anunciada a data da defesa.

Out/2021 – Apresentação de artigo cientifico na conferencia internacional ICBSTS 2021

Artigo cientifico sobre os métodos de otimização de performance térmica (maximização e estabilização de potência) de permutadores com acumulação em materiais de mudança de fase, elaborado em colaboração com dois investigadores do departamento de engenharia mecânica da universidade de Aveiro para apresentação na conferencia internacional ICBSTS 2021 (2nd International Conference on Building Science, Technology and Sustainability) que decorrerá em Lisboa entre os dias 27 e 29 de Outubro de 2021. Este artigo científico será depois publicado numa plataforma Open Access para que possa ser consultado em livre acesso e o link será disponibilizado na pagina do projeto.

Ago/2022 – Apresentação de artigo cientifico na conferencia internacional ICDEPI

Artigo cientifico sobre o processo de desenvolvimento de conceito de solução para integração em edifícios considerando um conjunto de requisitos técnicos e funcionais, elaborado em colaboração com um investigador do departamento de comunicação e arte da universidade de Aveiro para apresentação na conferencia internacional ICDEPI 2022 – 5th International Conference on Design Engineering and Product Innovation. Este artigo científico será depois publicado numa plataforma Open Access para que possa ser consultado em livre acesso e o link será disponibilizado na pagina do projeto.

Nota: o evento de apresentação estava inicialmente agendado para Agosto de 2021, no entanto, devido ao cancelamento da edição 2021 na sequência da crise pandémica a participação ficou adiada para a edição de 2022.