Design and life estimation of a Periodic Open Cellular Structure for carbon capture and methanation process

Combined Carbon Capture and Methanation (CCCM) reactor require efficient heat management due to the strongly exothermic nature of the involved reactions. Periodic Open Cellular Structures (POCS), manufactured in high-thermal-conductivity alloys, represent a promising solution to enhance heat dissipation. However, these structures are subjected to severe thermo-mechanical cycling, leading to plastic deformation, creep, and fatigue damage, which may compromise thermal dissipation capabilities. This work investigates the thermo-mechanical performance of additively manufactured AlSi10Mg POCS under cyclic thermal loading between 200°C and 350°C. Three lattice topologies (BCC, diamond, and auxetic) are selected through a homogenization-based approach and implemented in six component configurations. An extensive experimental campaign is conducted to calibrate plasticity, creep, and damage material models, which are subsequently implemented in finite element simulations of the full component. The results show that one configuration is able to restore the contact at 286°C, 15°C in advance with respect to all the others. Fatigue life is strongly influenced by the first cycle, which dominates damage accumulation. Among the analyzed designs, the diamond lattice without cuts provides the most balanced performance, combining the highest contact pressure (1.4 MPa) with an acceptable predicted fatigue life of 2 × 105 cycles over an objective life of 5 × 104 cycles. The auxetic configuration with cuts exhibits slightly improved contact re-establishment temperature but significantly lower contact pressure of 0.15 Mpa. Although the objective of maintain continuous contact is not satisfied, the proposed approach enables a consistent comparison of different POCS configurations, potentially over any working condition within the experimental data framework.

I reattori dedicati ai processi di Cattura del Carbonio Combinata alla Metanizzazione (CCCM) necessitano di sistemi di gestione del calore attentamente progettati, a causa delle reazioni chimiche fortemente esotermiche che caratterizzano tali processi. Una possibile soluzione a questo problema è rappresentata dalle Strutture Cellulari Aperte Periodiche (note in letteratura come "POCS"), realizzate in leghe ad alta conducibilità termica. Tuttavia, queste strutture sono soggette a cicli di carico termo-meccanici che inducono ampie deformazioni plastiche, fenomeni di creep e danno da fatica, i quali potrebbero compromettere la capacità del componente di condurre e dissipare efficacemente il calore. Questo lavoro analizza le prestazioni termo-meccaniche di un POCS in AlSi10Mg prodotto mediante manifattura additiva, soggetta a cicli termici tra 200°C e 350°C. Tre topologie di celle (cubico corpo centrato, diamante e auxetica) sono selezionate attraverso un approccio basato sull’omogeneizzazione e implementate in sei configurazioni di componente. Un’estesa campagna sperimentale è condotta per calibrare i modelli di materiale relativi a plasticità, creep e danneggiamento, successivamente implementati in simulazioni agli elementi finiti del componente completo. I risultati mostrano che una configurazione è in grado di ristabilire il contatto a 286°C, con un anticipo di 15°C rispetto alle altre. La vita a fatica è fortemente influenzata dal primo ciclo, che domina l’accumulo di danno. Tra le configurazioni analizzate, il reticolo a diamante senza tagli offre le prestazioni più equilibrate, combinando la più elevata pressione di contatto (1,4 MPa) con una vita a fatica prevista pari a 2 × 105 cicli, a fronte di un obiettivo di 5 × 104 cicli. La configurazione auxetica con tagli mostra un leggero miglioramento nella temperatura di ripristino del contatto, ma una pressione di contatto significativamente inferiore (0,15 MPa). Nonostante l’obiettivo di mantenere un contatto continuo non sia soddisfatto, l’approccio proposto in questa tesi consente un confronto coerente tra diverse configurazioni di POCS, potenzialmente estendibile a qualsiasi condizione operativa, compatibilmente con il dominio sperimentale considerato.