Experimental setup for the thermal response evaluation of PCM composite materials : literature survey and practical optimization

Phase change materials (PCMs) are an innovative solution for thermal energy storage system and thermal management system. Despite the large latent storage heat and the possibility to tailor the phase transition temperature of the active phase, frequently the intrinsic low thermal conductivity limits their applicability. Therefore, over recent years, composite PCMs have been developed by adding high thermal conductive with structural capacity materials to the active phase. Since PCMs composite materials are a relatively new research field, adequate standards for the measurement of their thermal properties are not yet available. Thus, this thesis work presents an overview of different experimental methods available in literature to characterize and study the thermal properties of composite PCMs. On these bases, an optimized experimental setup has also been developed to characterize thermal response of composite PCM with aluminium matrix containing organic phase as PCM material. The proposed system exploit High Temperature Heat Flux Sensors (HTHFS) to monitor the heat flow history of composite PCM samples. The steps leading to the optimization of the set-up have been presented. The optimized equipment, including heat generation and temperature/heat flux sensors was associated to a monitoring/control system developed in LabVIEW®. The experimental set-up has then been used to check the influence of different phase distributions of the active phase on the energy storage cycle.

I materiali a cambiamento di fase (Phase Change Materials - PCM) rappresentano una soluzione innovativa per sistemi in grado di immagazzinare energia e per sistemi di gestione del calore. Nonostante il loro ampio calore latente di fusione e la possibilità di regolarne le temperature di cambiamento di fase, spesso presentano una bassa conducibilità termica che ne limita le possibili applicazioni. Per questo motivo negli ultimi anni sono stati sviluppati materiali compositi a cambiamento di fase attraverso l’aggiunta di materiali con elevata conducibilità termica e solidità strutturale. Poiché i materiali compositi a cambiamento di fase sono un campo di ricerca piuttosto recente, non sono ancora presenti adeguate normative per la misurazione delle loro proprietà termiche. Per questo motivo nel seguente lavoro di tesi viene presentata una panoramica dei diversi metodi sperimentali presenti in letteratura per caratterizzare e studiare le proprietà termiche dei PCM compositi. Sulla base di questo è stato sviluppato e ottimizzato un apparato sperimentale per la caratterizzazione termica di PCM compositi costituiti da una matrice di alluminio e un PCM di fase organica. Il sistema sperimentale proposto fa uso di sensori di flusso termico ad elevata temperatura (High Temperature Heat Flux Sensors - HTHFS) per monitorare la storia termica dei PCM compositi. I passaggi necessari all’ottimizzazione del setup sperimentale sono stati descritti. Le apparecchiature ottimizzate, inclusa la sorgente termica e i sensori di temperatura/flusso sono state associate a un sistema di monitoraggio/controllo sviluppato in LabVIEW®. Il sistema sperimentale è stato impiegato per valutare l’influenza di diverse distribuzione di fasi del PCM sul ciclo di accumulo termico.