Numerical investigation of the thermal response of phase change materials (PCMs) combined with triply periodic minimal surface (TPMS) lattices

The need for more energy-efficient systems to address current environmental challenges has directed efforts towards renewable and sustainable energy technologies, such as thermal energy storage. In this sense, metal foams have been widely used to improve the thermal conductivity of organic Phase Change Materials (PCMs) in Latent Heat Thermal Energy Storage systems (LHTES). Moreover, thanks to the progress of both computational methods and Additive Manufacturing (AM), it is now possible to model and print complex geometries to be employed even in this application. In this thesis, Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMSs), a class of periodic cellular materials studied for their promising thermal and mechanical performance, are proposed to model metallic lattices embedded into organic PCM. The objective is to analyse their thermal performance and compare it with PCM composites made of Kelvin and inverse Body-Centered Cubic (BCC) cells, nowadays used to model conventional metal foams. To improve the thermal performance of TPMS, in terms of effective thermal conductivity and time to completely melt the PCM phase, ad-hoc modifications to the TPMS geometry are applied and analysed. A numerical approach using a Finite Element Method (FEM) is conceived, considering conduction as the primary heat transfer mechanism. Results show the better thermal performance of TPMS-based lattices than the standard ones. Moreover, the effective thermal conductivity and the time to completely melt the PCM depend not only on the porosity but even on the TPMS morphology. Finally, this thermal performance can be further improved by adjusting the geometry with respect to the required thermal flow. Therefore, the use of TPMS structures in LHTES systems offers great promises to enhance the thermal performance of PCM composites.

La necessità di un uso più efficiente dell’energia e le sfide ambientali hanno indirizzato le ricerche scientifiche verso tecnologie energetiche rinnovabili e sostenibili, ad esempio nell’ambito dell’immagazzinamento di energia termica. In particolare, le schiume metalliche sono ampiamente utilizzate per migliorare la conducibilità termica dei materiali a transizione di fase (PCM) nei sistemi per l’immagazzinamento di energia termica attraverso il calore latente (LHTES). Inoltre, grazie al miglioramento dei metodi computazionali e della manifattura additiva, è possibile modellare e stampare geometrie complesse da impiegare anche in questo tipo di applicazione. In questo lavoro di tesi, le Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS), una classe di materiali periodici cellulari studiati recentemente per le loro promettenti prestazioni termiche e meccaniche, sono proposte per formare reticoli metallici integrati con PCM per analizzare le performance termiche e confrontarle con le celle convenzionali Kelvin e BCC inversa, usate per rappresentare le schiume metalliche. Sono state inoltre applicate modifiche alla geometria dei reticoli TPMS con lo scopo di aumentare le prestazioni termiche in termini di conducibilità termica effettiva e tempi per fondere completamente il PCM. È stata svolta un’analisi a elementi finiti considerando solo la conduzione come meccanismo di trasmissione di calore. I risultati mostrano che le prestazioni termiche delle strutture basate sulle TPMS sono migliori rispetto a quelle basate su celle convenzionali. Inoltre, la conducibilità termica effettiva e il tempo per fondere completamente il PCM non dipendono solo dalla porosità della struttura metallica, ma anche dalla morfologia delle TPMS. Infine, la risposta termica può essere ulteriormente migliorata modificando la geometria in relazione al flusso termico richiesto. Pertanto, l’uso delle strutture TPMS nei sistemi LHTES offre un grande potenziale per aumentare le prestazioni termiche dei compositi fatti con PCM.