Avaliação experimental da transferência de calor em placas de gesso com materiais de mudança de fase

Abstract

O objetivo principal deste trabalho é avaliar, por via experimental, a transferência de calor com mudança de fase em regime transiente numa placa de gesso comercial que contém na sua matriz um material de mudança de fase (PCM) microencapsulado (Micronal® DS 5001 X) – placa Alba®balance 25 fornecida pela Placo® – Saint-Gobain. Para tal, foi utilizada uma instalação laboratorial existente, no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC). Os PCMs (do inglês phase change materials) são materiais que fundem/solidificam a uma temperatura aproximadamente constante, armazenando/restituindo grandes quantidades de calor devido ao calor latente envolvido nos processos de mudança de fase. Deste modo, os PCMs podem ser usados tanto no armazenamento de energia térmica como na termorregulação de diferentes sistemas. Na literatura, são descritas várias formas para incorporar os PCMs em soluções construtivas, nomeadamente através do macro- e do microencapsulamento. No caso de um PCM microencapsulado, o material é confinado em microcápsulas poliméricas de forma a evitar a perda de material líquido. O material microencapsulado pode depois ser misturado, ou impregnado, noutros materiais de construção, como por exemplo em placas de gesso. Foram realizados ensaios de fusão (carga) e de solidificação (descarga) em duas placas de gesso com dimensões 300 mm × 300 mm × 25 mm: na placa Alba®balance 25 (temperatura de mudança de fase do PCM aproximadamente 25 ºC), e numa placa de gesso laminado cartonado com reação ao fogo melhorada GYPFOR FIRE. Pretendeu-se assim, comparar o comportamento térmico das duas soluções construtivas (com e sem PCMs) sujeitas às mesmas condições de ensaio. No ensaio de carga foi imposto um fluxo de calor horizontal numa das faces do provete por meio de uma resistência elétrica. No ensaio de descarga, foi encostada à outra superfície vertical do provete uma placa fria arrefecida por um circuito de água alimentado por um banho termostatizado. Os provetes foram posicionados verticalmente para simular soluções construtivas a serem integradas em elementos da envolvente vertical de edifícios (fluxo de calor horizontal). Relativamente aos ensaios de carga da placa de gesso com o PCM, verificou-se um comportamento típico de um PCM (considerando a condução como o processo de transferência de calor dominante), ou seja, foi possível identificar os três padrões na curva de evolução da temperatura nos pontos de monitorização correspondentes às fases sólida e líquida, e ao "patamar" de mudança de fase sólido–líquido. No entanto, como a solução comercial ensaiada é constituída por uma matriz de gesso com uma pequena percentagem de PCM incorporada, o efeito da mudança de fase nos resultados obtidos apresenta uma expressão relativamente ténue. Na placa de gesso GYPFOR FIRE os resultados obtidos correspondem ao típico aquecimento de um material sólido. Relativamente aos ensaios de descarga das duas placas de gesso testadas, a transferência de calor ocorre também por condução. Na placa de gesso com PCM é possível identificar o "patamar " mudança de fase líquido–sólido, apesar deste ser pouco significativo.Verificou-se também que o aumento da potência fornecida durante a carga, bem como o aumento da temperatura inicial da placa quente provocam uma diminuição no tempo de fusão do PCM presente na amostra. Quanto aos ensaios de descarga foi possível verificar que quanto maiores forem a temperatura inicial da amostra e a temperatura inicial da placa fria, maior o tempo necessário para a solidificação do material. Os resultados obtidos neste trabalho comprovam o potencial termorregulador da placa de gesso com o PCM, mesmo que este seja reduzido.(Esta dissertação foi desenvolvida no âmbito do projeto "PCMs4Buildings" - Sistemas com cavidades retangulares com materiais de mudança de fase para o aproveitamento de energia solar térmica em edifícios, ref. POCI-01-0145-FEDER-016750 | PTDC/EMS-ENE/6079/2014, cofinanciado por Fundos FEDER através do Programa Operacional Competitividade e Internacionalização - COMPETE 2020 e por Fundos Nacionais através da FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia.)

This dissertation aims to experimentally analyse the heat transfer with transient phase change of a plasterboard (Alba®balance 25 supplied by Placo® – Saint-Gobain) which contains a microencapsulated phase change material (PCM) (Micronal® DS 5001 X). In order to do this study, a previously installed experimental setup was adapted in the Department of Mechanical Engineering of the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra.PCM's are materials that melt/solidify at an approximately constant temperature, storing/restoring large amounts of heat due to the latent heat involved in the phase change processes. Thus, PCM’s can be used for the storage of thermal energy as well as for the thermoregulations of different systems. There are several ways described in literature to incorporate the PCM’s into constructive solutions, namely macro- and microencapsulation. In the latter, the material is confined to polymeric microcapsules in order to avoid the loss of liquid material. The microencapsulated material can then be mixed or impregnated in other construction materials, such as plasterboard.Fusion and solidification tests (charging and discharging, respectively) were performed in two plasterboards with 300 mm × 300 mm × 25 mm: one of which was the Alba®balance 25 plasterboard (temperature of phase change transition at approximately 25ºC) while the other one was a regular plasterboard with enhanced fire resistance GYPFOR FIRE.The intent was to compare the thermal behaviour of the two constructive solutions (with and without PCM's) when subjected to the same test conditions. In the fusion test, the sample was leaned against a hot plate and subjected to a horizontal heat flux in one of its faces, supplied by a heat resistor. In the solidification tests, a plate cooled by water supplied by a thermostated bath was leaned against the sample.The samples were positioned vertically to emulate the constructive solutions to be integrated in the vertical envelope of buildings. Regarding the charging tests with the PCM plasterboard, the typical behaviour of PCM's was observed, (considering heat conduction as the main method of heat transfer), that is to say, it was possible to identify the standard behaviour of the heating curve regarding the three intervals: solid, the phase change from solid to liquid, and liquid. However, since the commercial solution tested is constituted by a gypsum matrix with a low percentage of PCM, the heating curve is more subtle in the phase change, relatively to the theoretical heating curve of PCM's. As for the GYPFOR FIRE plasterboard, the results corresponded to the typical heating of a solid. Regarding the discharging tests of the two plasterboards, the heat transfer was performed by heat conduction as well. Despite being subtle, it was still possible to observe the phase change plateau in the heating curve, regarding the PCM plasterboard.It was also determined that the increase in electrical power during the charging test, as well as higher starting temperatures of the hot plate resulted in a decrease of the time required to melt all the PCM present in the sample. Regarding the discharge tests, it was possible to verify that with higher starting temperatures, and starting temperature of the cooling plate, more time was needed to solidify the PCM. The results of this dissertation verify the thermoregulatory capacity of the PCM plasterboard, despite showing modest results.