Thermal response of composite PCMs : the effect of arrangement and coarseness of the structural phase applied to hybrid PCMs

In recent years, improving the efficiency of storage and use of energy has become a more urgent issue due to the growing world energy demand and environmental concerns. The Phase Change Materials (PCMs) that can release or store sensible and latent heat are meeting progressively more interests in the engineering field. Pure PCMs generally have low thermal conductivity, leading to slow thermal storage and, therefore, limited application. Composite PCMs (C-PCMs) can increase and tailor the thermal response of pure PCMs by combining a proper PCM phase and a high conductivity and melting temperature phase. Paraffin-metallic porous composite PCMs are considered in the present study since they have several positive features. Paraffins are widely applied as PCMs because of their density of energy stored (of about 240 kJ/kg), combined with the possibility of modulating the temperatures at which melting occurs (in the present work, 20°C -110°C range) and material availability. Thus, classical uses for paraffins as PCMs are in the field of building and industrial thermal management systems. Metallic foams with open cell structure and high porosity can be filled by paraffins, obtaining composite PCMs with a significant increase in the overall thermal conductivity with the relatively low decrease of stored energy density. The main aim of the PhD work is to offer simple methods to predict the thermal response of the above C-PCM, considering different geometrical features of the metallic phase, heat supply and orientation. The first step has been to study analytical models for thermophysical properties independent of phase distribution for paraffin-porous metallic C-PCM. Firstly, extensive literature data and models analysis have been carried out for temperature-dependence of thermophysical properties of paraffins. Secondly, for paraffins melting in about 280 K-370 K range, optimal analytical descriptions have been proposed for the temperature- and composition-dependence of the heat of fusion and density, specific heat, thermal conductivity, and viscosity in the liquid state. Similarly, literature data and models of thermophysical properties of aluminium and copper have also been reviewed and analysed. In addition, the effective properties of C-PCMs independent of phase distribution, such as density and specific heat, have been calculated. The second step has been to investigate C-PCM properties affected by the phase distribution, like effective thermal conductivity and permeability. The thesis first focuses on providing a tool to model effective thermal conductivity for paraffin-porous metallic C-PCM. Numerical methods like Lattice-Monte Carlo (LMC) and Direct Simulation (DS) method and analytical models have been set up and compared to predict effective thermal conductivity. In 3D structure, porous structures can be modelled (and in some case produced) as lattices with a regular arrangement of phases, like the simple-cubic (SC) model, face-centred cubic (FCC) model and body-centred cubic (BCC) model. Their effective thermal conductivity has been evaluated by the DS method, considering both different geometrical and material features and compared to available experimental data. The BCC model can be considered to be closer to high-porosity foam. Analytical models have been derived from results of sets of DS for paraffin/Al foams composite. In 2D structure, parameters of lattice and phase size in the LMC method have been optimised to obtain a reliable estimation of effective thermal conductivity with minimal experimental efforts. The LMC method has also been applied to 2- or 3-phase microstructure with experimental validation. The next step has been to investigate the effects of porous structure coarseness on the thermal response and onset of natural convection in C-PCMs. Starting from this latter, which is analysed on a basic of ℝD number, the permeability of porous structures modelled as different lattices have been studied. A simplified analytical model derived from the Rayleigh-Darcy number has been proposed to estimate if convection motion exists in the liquid phase of the C-PCM differently oriented with respect to the heat source. The model has been validated using literature experiment data. The last step of the thesis has been devoted to predicting transient thermal performance of composite PCMs, which, by their nature, are materials used to work during thermal cycles in non-steady situations. The thermal response of the material is not characterised by specific properties. Rather the transient thermal response of composite PCMs under simple service condition is monitored in different points of the complex 3D structure by the DS method. The results showed that composites made by the same phases and volume fractions, and thus with the same effective thermal conductivity, display different thermal response depending on the material coarseness. The coarser structures, specifically under high heat flux, can no more consider the local temperature distribution within phases as homogeneous. This prevents the possibility to model the material as a homogeneous medium, which is a clear advantage in view of the engineering use of the material. Thus, the engineering validity ranges for the one-temperature volume-averaged (1T) method considering composite PCM as a homogenous medium has been investigated by comparing the heat response for paraffin-Al composite provided by it and the DS method considering both geometrical features (side length, porosity of BCC-modelled Al) and boundary conditions (heat input). Local error for the volume fraction of molten PCM ( and thus stored energy) has been analytically described.

Negli ultimi anni, il miglioramento dell'efficienza dello stoccaggio e dell'uso dell'energia è diventato un problema più urgente a causa della crescente domanda mondiale di energia e delle preoccupazioni ambientali. I materiali a cambiamento di fase (PCM) che possono rilasciare o immagazzinare calore sensibile e latente stanno incontrando progressivamente più interesse nel campo dell'ingegneria. I PCM puri hanno generalmente una bassa conduttività termica, che porta a un accumulo termico lento e, quindi, a un'applicazione limitata. I PCM compositi (C-PCM) possono aumentare e personalizzare la risposta termica dei PCM puri combinando una fase PCM adeguata e una fase ad alta conduttività e temperatura di fusione. I PCM compositi porosi paraffina-metallici sono considerati nel presente studio poiché hanno diverse caratteristiche positive. Le paraffine sono ampiamente applicate come PCM a causa della loro densità di energia immagazzinata (di circa 240 kJ/kg), combinata con la possibilità di modulare le temperature a cui avviene la fusione (nel presente lavoro, intervallo 20°C -110°C) e disponibilità materiale. Pertanto, gli usi classici delle paraffine come PCM sono nel campo dei sistemi di gestione termica degli edifici e industriali. Schiume metalliche con struttura a celle aperte ed elevata porosità possono essere riempite con paraffine, ottenendo PCM compositi con un aumento significativo della conducibilità termica complessiva con la diminuzione relativamente bassa della densità di energia immagazzinata. L'obiettivo principale del lavoro di dottorato è quello di offrire metodi semplici per prevedere la risposta termica del suddetto C-PCM, considerando diverse caratteristiche geometriche della fase metallica, fornitura di calore e orientamento. Il primo passo è stato quello di studiare modelli analitici per proprietà termofisiche indipendenti dalla distribuzione di fase per C-PCM metallico poroso in paraffina. In primo luogo, sono stati effettuati numerosi dati di letteratura e analisi di modelli per la dipendenza dalla temperatura delle proprietà termofisiche delle paraffine. In secondo luogo, per le paraffine che fondono in un intervallo di circa 280 K-370 K, sono state proposte descrizioni analitiche ottimali per la dipendenza dalla temperatura e dalla composizione del calore di fusione e densità, calore specifico, conduttività termica e viscosità allo stato liquido. Allo stesso modo, sono stati esaminati e analizzati anche i dati della letteratura e i modelli delle proprietà termofisiche dell'alluminio e del rame. Inoltre, sono state calcolate le proprietà efficaci dei C-PCM indipendenti dalla distribuzione di fase, come densità e calore specifico. Il secondo passo è stato quello di studiare le proprietà del C-PCM influenzate dalla distribuzione di fase, come l'effettiva conduttività termica e permeabilità. La tesi si concentra innanzitutto sulla fornitura di uno strumento per modellare l'effettiva conduttività termica per C-PCM metallico poroso in paraffina. Sono stati messi a punto e confrontati metodi numerici come il metodo Lattice-Monte Carlo (LMC) e Direct Simulation (DS) e modelli analitici per prevedere l'effettiva conduttività termica. Nella struttura 3D, le strutture porose possono essere modellate (e in alcuni casi prodotte) come reticoli con una disposizione regolare delle fasi, come il modello cubico semplice (SC), cubico a facce centrate (FCC) e cubico a corpo centrato (BCC) ) modello. La loro effettiva conducibilità termica è stata valutata con il metodo DS, considerando sia le diverse caratteristiche geometriche che materiali e confrontata con i dati sperimentali disponibili. Il modello BCC può essere considerato più vicino alla schiuma ad alta porosità. I modelli analitici sono stati derivati dai risultati dei set di DS per il composito di schiume di paraffina/Al. Nella struttura 2D, i parametri di reticolo e dimensione di fase nel metodo LMC sono stati ottimizzati per ottenere una stima affidabile della conduttività termica effettiva con sforzi sperimentali minimi. Il metodo LMC è stato applicato anche alla microstruttura a 2 o 3 fasi con validazione sperimentale. Il passo successivo è stato quello di studiare gli effetti della ruvidità della struttura porosa sulla risposta termica e sull'inizio della convezione naturale nei C-PCM. A partire da quest'ultimo, che viene analizzato sulla base del numero ℝD, è stata studiata la permeabilità di strutture porose modellate come reticoli diversi. È stato proposto un modello analitico semplificato derivato dal numero di Rayleigh-Darcy per stimare se esiste moto convettivo nella fase liquida del C-PCM diversamente orientato rispetto alla fonte di calore. Il modello è stato convalidato utilizzando i dati degli esperimenti della letteratura. L'ultima fase della tesi è stata dedicata alla previsione delle prestazioni termiche transitorie dei PCM compositi, che, per loro natura, sono materiali utilizzati per lavorare durante i cicli termici in situazioni non stazionarie. La risposta termica del materiale non è caratterizzata da proprietà specifiche. Piuttosto, la risposta termica transitoria dei PCM compositi in condizioni di servizio semplice viene monitorata in diversi punti della complessa struttura 3D mediante il metodo DS. I risultati hanno mostrato che i compositi realizzati con le stesse fasi e frazioni di volume, e quindi con la stessa conduttività termica effettiva, mostrano una risposta termica diversa a seconda della ruvidità del materiale. Le strutture più grossolane, in particolare sotto flusso termico elevato, non possono più considerare omogenea la distribuzione della temperatura locale all'interno delle fasi. Ciò impedisce la possibilità di modellare il materiale come un mezzo omogeneo, il che è un chiaro vantaggio in vista dell'uso ingegneristico del materiale. Pertanto, gli intervalli di validità ingegneristica per il metodo della media del volume a una temperatura (1T) che considera il PCM composito come un mezzo omogeneo è stato studiato confrontando la risposta termica per il composito paraffina-Al fornito da esso e il metodo DS considerando entrambe le caratteristiche geometriche ( lunghezza dei lati, porosità di Al modellato in BCC) e condizioni al contorno (apporto di calore). L'errore locale per la frazione di volume del PCM fuso (e quindi l'energia immagazzinata) è stato descritto analiticamente.