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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2019.tde-14052020-144741
Document
Author
Full name
Adriano Bonangelo Costa
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Seckler, Marcelo Martins (President)
Cekinski, Efraim
Guimarães, Kleber Lanigra
Title in Portuguese
Estudo da cristalização e comportamento térmico de parafinas como materiais de mudança de fase.
Keywords in Portuguese
Condutividade
Cristalização
Materiais de mudança de fase
Parafina
Troca térmica
Abstract in Portuguese
Materiais de mudança de fase têm como função armazenar calor latente. As parafinas são materiais de mudança de fase comumente utilizados. Algo ainda não estudado com relação às parafinas é como a cristalização influencia a condutividade do material. Tendo em vista que a relação entre fenômenos de cristalização e a condutividade térmica do MMF ainda não foi estudada, ela foi objeto do presente estudo. Para isso, cinco parafinas de grau comercial, sendo três produzidas para uso como MMFs e duas para uso geral (como em velas), foram caracterizadas por análise GC/MS e DSC. A condutividade térmica de duas parafinas cristalizadas sob supersaturações diferentes foi determinada experimentalmente. O material cristalizado rapidamente possui condutividade média de 0,253 W.m-1.K-1 e o bloco cristalizado lentamente, 0,215 W.m-1.K-1. Um modelo matemático foi desenvolvido para prever a evolução temporal da espessura da camada de MMF em configuração de dedo frio. O modelo foi ajustado a experimentos, utilizando-se determinações experimentais detalhadas das propriedades físicas relevantes, utilizando-se como único parâmetro do modelo a condutividade da camada parafínica. Os valores ajustados da condutividade térmica para temperaturas de fluido de resfriamento e de aquecimento, respectivamente, 20 e 60 °C, 20 e 55 °C, 10 e 60 °C e 10 e 55 °C, foram respectivamente, 0,233, 0,235, 0,313 e 0,305 W.m-1.K-1. Os valores dos coeficientes de determinação para a espessura calculada em função da espessura medida foram todos acima de 0,99. Comparando-se as simulações 20-60 e 20-55, houve um aumento de 25,56% na condutividade da camada parafínica e comparando- se as simulações 10-60 e 10-55, houve um aumento de 22,95% na condutividade da camada. Como demonstram determinações experimentais diretas da condutividade e determinações com auxílio de modelo matemático em dedo frio, a condutividade térmica da parafina aumenta com a taxa de cristalização. As camadas cristalinas são compostas por diferentes fases sólidas (fato confirmado pela plasticidade da camada ainda aquecida), mas essas fases não influenciam significativamente a condutividade média das camadas.
Title in English
Study of crystallization and thermal behavior of paraffins as phase change materials.
Keywords in English
Conductivity
Crystallization
Paraffins
Phase change materials
Thermal exchange
Abstract in English
Phase change materials have the function of storing latent heat. Paraffins are commonly used phase change materials. Something not yet studied regarding paraffins is how crystallization influences the conductivity of the material. Given that the relationship betweencrystallization phenomena and the thermal conductivity of PCM has not yet been studied, it has been the object of the present study. For this, five commercial grade paraffins, three produced for use as PCMs and two for general use (as in candles), were characterized by GC/MS and DSC analysis. The thermal conductivity of two crystallized paraffins under different supersaturations was determined experimentally. The rapidly crystallized material had an average conductivity of 0.253 W.m-1.K-1 and the slowly crystallized block 0.215 W.m-1.K-1. A mathematical model was developed to predict the temporal evolution of the MMF layer thickness in cold finger configuration. The model was adjusted to experiments, using detailed experimental determinations of the relevant physical properties, using as the only parameter of the model the paraffin layer conductivity. The adjusted thermal conductivity values for cooling and heating fluid temperatures, respectively, 20 and 60 °C, 20 and 55 °C, 10 and 60 °C, and 10 and 55 °C, respectively, were 0.233, 0.235, 0.313 and 0.305 W.m-1.K-1. The values of coefficients of determination for the calculated thickness as a function of the measured thickness were all above 0.99. Comparing simulations 20-60 and 20-55, there was a 25.56% increase in paraffin layer conductivity and comparing simulations 10-60 and 10-55, there was a 22.95% increase in the conductivity of the layer. As shown by direct experimental determination of conductivity and mathematical determination on cold finger, paraffin thermal conductivity increases with the crystallization rate. The crystalline layers are composed of different solid phases (a fact confirmed by the plasticity of the warm layer), but these phases do not significantly influence the average conductivity of the layer.
 
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Publishing Date
2020-05-27
 
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