Nunerical study of the thermal stress distributions in PCM made of metallic alloys with miscibility gaps

Energy production from renewable sources like solar and wind has been on a rapid growth in the recent years. Since the availability of energy from these sources are intermittent, a way to store the energy produced from renewable sources with minimal storage and retrieval losses is an important factor. Phase Change Materials (PCM) are being developed for thermal energy storage that can store and retrieve energy with minimum losses. PCMs made of metallic alloys with active and passive phases are being considered in this study. The main focus of this study is to analyze the thermal stress distributions in the PCM during the thermal cycle. A PCM made of Aluminum alloy, with Aluminum as the passive phase was considered for analysis. For the passive phase of the PCM, three alloys of Aluminum, namely pure Aluminum, Al2014 T6 and Al7075 T6 were chosen. Thermal stress analysis was performed for the chosen PCMs with different thermal cycles and boundary conditions. A sequentially-coupled field analysis was performed using thermal-elastic-plastic model, accounting for elastic as well as plastic deformation with ANSYS. Results were studied for the distribution of stresses and strains during the thermal cycle of these PCMs.

La produzione di energia da fonte rinnovabile, come quella solare e quella eolica, ha subito una rapida crescita negli ultimi anni. Dal momento che la disponibilità di energia prodotta da tali fonti è intermittente, trovare un modo per accumulare l’energia prodotta da tali fonti rinnovabli, con le minime perdite di recupero e stoccaggio, è diventato un fattore importante. Si stanno quindi sviluppando i cosidetti Materiali a Cambiamento di Fase (PCM) per l’accumulo di energia termica che possono recuperare e stoccare energia con le minime perdite. In questo studio saranno discussi i PCMs costituiti da leghe metalliche con una fase attiva ed una passiva. Lo scopo principale di questo studio è quello di analizzare la distribuzione degli sforzi nel PCM durante un ciclo termico. Sono stati considerati tre PCMs costituiti da laghe a base di alluminio. Più precisamente sono state considerate leghe la cui matrice è costituita da: alluminio puro, Al2014 T6 e Al7075 T6. Sono state effettuate analisi di thermal-stress per i PCMs scelti con differenti cicli termici e diverse condizioni al contorno. Un’analisi sequenziale con campi accoppiati è stata effettuata usando un modello termo-elasto-plastico che ha tenuto conto sia delle deformazioni elastiche che di quelle plastiche, con il software ANSYS. Sono stati studiati infine i risultati delle distribuzioni degli sforzi e delle deformazioni durante i cicli termici a cui sono stati sottoposti i sopracitati PCMs.