A fundamental analysis of the heat transfer properties of periodic ordered cellular structures as enhanced catalyst supports

Periodic open cellular structures – POCS – are cellular materials composed by repeated cells, open windows and by interconnected solid struts. These structures are characterized by a high surface area per unit of volume and void fractions, promoting at the same time the local mixing. They are considered potential catalyst supports for the process intensification of highly exo or endothermal applications due to their enhanced radial heat transfer performances in comparison to conventional packed bed reactors. This thesis, under the framework of INTENT ERC project, is aimed to study in detail the effective thermal conductivity and the gas/solid convective heat transfer of different cell morphologies in function of the main geometrical properties of the structures by means of CFD simulations performed with the OpenFOAM framework. After a brief introduction, a detailed characterization of the geometric models for the different cell shapes is reported. Then, the governing equations and the numerical schemes used in the simulations are illustrated. A detailed investigation of the effects of geometrical parameters on the effective conductivities of these structures revealed that this phenomenon is mainly governed by the porosity of the sample and it is almost independent of the cell shape. On the contrary convective gas/solid heat transfer presents different functional dependencies on the geometrical properties: the cell shape has a major impact on the gas/solid properties since it influences the flow field. A different functional dependency on the porosity is found for each cell shapes. Engineering correlations are developed to describe the phenomenon by means of dimensionless Nusselt to Reynolds form. On the basis of these correlations, it has been possible to conclude that diamond and tetrakaidecahedral cells outperform cubic cells in term of gas/solid heat transfer rates due to the higher specific surface and the higher fluid to structure interactions.

Le strutture cellulari periodiche a cella aperta, POCS, sono materiali cellulari composti da celle ripetute, pori comunicanti e trabecole solide interconnesse. Queste strutture sono caratterizzate da un’elevata area superficiale per unità di volume e un’elevata porosità, che favoriscono il miscelamento locale. Sono considerate potenziali supporti catalitici per l’intensificazione di processi altamente eso o endotermici grazie alle loro elevate prestazioni di trasmissione del calore radiale rispetto ai reattori a letto impaccato convenzionali. Questo lavoro di tesi, nell’ambito del progetto INTENT ERC, ha lo scopo di studiare in dettaglio la conduttività termica efficace e il trasferimento di calore convettivo gas/solido di diverse morfologie cellulari in funzione delle principali proprietà geometriche delle strutture mediante simulazioni CFD eseguite con il framework OpenFOAM. Dopo una breve introduzione, viene riportata una caratterizzazione dettagliata dei modelli geometrici per le diverse forme di cella unitaria. Quindi, vengono illustrate le equazioni di governo e gli schemi numerici utilizzati nelle simulazioni. Un’analisi dettagliata degli effetti dei parametri geometrici sulle conduttività efficaci di queste strutture ha rivelato che questo fenomeno è principalmente governato dalla porosità del campione ed è quasi indipendente dalla forma della cella. Al contrario, lo scambio termico convettivo gas/solido presenta diverse dipendenze funzionali dalle proprietà geometriche: la forma della cella unitaria ha un impatto maggiore sulle proprietà di gas/solido poiché influenza il campo di moto. Per ogni forma di cella analizzata viene ottenuta una diversa dipendenza funzionale dalla porosità. Sono state sviluppate correlazioni ingegneristiche per descrivere il fenomeno mediante la forma adimensionale di Nusselt e Reynolds. Sulla base di queste correlazioni, è stato possibile concludere che le celle diamond e tetrakaidecaedriche superano le celle cubiche in termini di velocità di trasferimento di calore tra gas e solido grazie a una maggiore superficie specifica e una più alta interazione tra fluido e struttura.