Evaluación experimental del tiempo característico de carga/descarga del PCM encapsulado para el sistema de almacenamiento de energía térmica latente

Abstract

[ES] La tesis trata del análisis del comportamiento térmico de los materiales de cambio de fase encapsulados (PCM) para el sistema de almacenamiento de energía térmica latente (LTESS). Más en detalle, tres parafinas comerciales de cambio de fase (RT 35 HC, RT 42 y RT 50), con un rango diferente de temperatura de fusión (de 35°C a 50°C), son monitorizadas durante las fases de carga y descarga en un almacenamiento térmico lleno de agua destilada. Las PCM están encapsuladas en cajas de aluminio con y sin la presencia de espumas de aluminio y cobre metálico. Se utiliza una plataforma de ensayo experimental en la que se llena un baño termostático con un volumen total de 22,8 litros de agua y PCM encapsulado. El volumen del PCM es alrededor del 20% del volumen total del baño termostático. El baño termostático está equipado con una resistencia eléctrica por medio de la cual todo el volumen se calienta hasta un valor de temperatura fijado (i.e. 50°C); de esta manera el almacenamiento se carga de energía térmica. La temperatura del agua y del PCM se controla mediante una serie de termopares. Cuando el agua y el PCM alcanzan el punto de ajuste, la resistencia eléctrica se apaga y la fase de carga se detiene. El baño extrae un caudal volumétrico constante de agua gracias a una bomba. El agua caliente entra en un fancoil utilizado para transferir al aire ambiente el calor del agua. Con el fin de estabilizar la temperatura de retorno al baño termostático utilizado como almacenamiento, y se utiliza baño frío adicional. Los resultados experimentales destacan el efecto de la espuma metálica en la transferencia de calor dentro de la parafina, al reducir el tiempo de fusión y acelerar la transferencia de calor entre PCM y agua. El valor del coeficiente global de transferencia de calor entre el PCM encapsulado y el agua se obtiene mediante los datos experimentales. Al final es evidente el beneficio en el uso de PCM dentro de espumas metálicas en términos de tiempo de descarga del sistema. De hecho, con espumas el tiempo de lavado es de aproximadamente 1 hora, mientras que con PCM puro es de aproximadamente 6 horas. Además, el coefficent de transferencia de calor, de PCM dentro de espumas metálicas, es mayor que el caso con PCM puro. A partir de los resultados experimentales no hay diferencia significativa entre las espumas de cobre o aluminio en términos de coeficiente de transmisión de calor y tiempo de descamación.

[EN] The thesis deals with the analysis of thermal behavior of encapsulated phase change materials (PCM) for latent thermal energy storage system (LTESS). More in detail, three commercial phase change paraffins (RT 35 HC, RT 42 and RT 50), having a different range of melting temperature (from 35°C to 50°C), are monitored during the charging as well as discharging phases in a thermal storage filled with distilled water. PCMs are encapsulated in aluminum boxes with and without the presence of aluminum and copper metal foams. An experimental test rig is used in which a thermostatic bath with a total volume of 22.8 liters is filled with water and encapsulated PCM. The volume of the PCM is around 20% of the total volume of the thermostatic bath. The thermostatic bath is equipped with an electrical resistance by means of which the whole volume is heat up to a fixed setpoint temperature value (i.e. 50°C); in this way the storage is charged of thermal energy. The temperature of water and PCM is monitored by means of a series of thermocouples. When both water and PCM reach the setpoint, the electrical resistance is switched off and the charging phase is stopped. A constant volumetric flow rate of water is extracted by the bath thanks to a pump. The hot water enters in a fancoil used to transfer to the ambient air the heat of the water. In order to stabilize the return temperature to the thermostatic bath used as storage, and additional cold bath is used. The experimental results highlight the effect of the metal foam on the heat transfer within the paraffin, by reducing the melting time and accelerating the heat transfer between PCM and water. The value of the overall heat transfer coefficient between the encapsulated PCM and water is obtained by the experimental data. In the end is evident the benefit in using PCM within metal foams in terms of discharging time of the system. Indeed with foams the disharging time is about 1 hour, meanwhile with pure PCM is about 6 hour. Furthermore the heat transfert coefficent, of PCM within metal foams, is greater than the case with pure PCM. ( aggiungree i valori medi dei risutlati ottenuti) From the experimental results there is no significant difference between the copper or aluminum foams in tearms of heat transfer coefficent and disharging time.