Studio dell'uso di materiali a cambiamento di fase in scambiatori di calore a piastre

In the last years, the increase in energy demand, geopolitical instability, together with an even present urgency to containing greenhouse gas and pollutant emissions, has promoted a growth in technologies aimed at energy saving and energy production from renewable sources. Among these, thermal energy storage (TES) solutions represent a relevant field of interest for research and experimentation. This thesis focuses on an experimental and numerical analysis of a thermal energy storage consisting of a blazed plate heat exchanger, filled with the bio-based phase-change material (PCM) PureTemp 48 as the storage material and that use water as the heat transfer fluid. The final goal is to develop a model for the evaluation of the performance in the temperature range between 25 °C and 65 °C. The work is divided into two main parts: the first concerns the experimental analysis, the second one the development of a numerical model. The experimental part refers to the design and implementation of a test rig, at the laboratory of the Energy Department of the Politecnico di Milano, specifically built to carry out experimental tests on the heat storage system. The second part concerns the development of a numerical model of the latent heat thermal energy storage (LHTES). The model was developed using numerical simulation codes implemented in the MatlabTM environment and is validated using experimental temperature data collected in the laboratory during the experimental campaign.

Negli ultimi anni l’incremento del fabbisogno energetico, instabilità geopolitica, insieme ad una sempre presente urgenza di contenere le emissioni di gas serra ed inquinanti, ha promosso una crescita delle tecnologie volte al risparmio energetico e alla produzione di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le soluzioni per l’accumulo di energia termica (TES, ‘thermal energy storage’) costituiscono un rilevante campo d’interesse per la ricerca e la sperimentazione. Questa tesi è incentrata sullo studio e l’analisi sperimentale e numerica di un accumulo di energia termica costituito da uno scambiatore di calore a piastre saldate, riempito con materiale a cambiamento di fase (PCM, ‘phase change material’) PureTemp 48 a base biologica come materiale di accumulo e con acqua come fluido termovettore. L’obiettivo è sviluppare un modello per la valutazione delle prestazioni nell’intervallo di temperatura compreso tra 25°C e 65 °C. Il lavoro è suddiviso in due parti principali: la prima di carattere sperimentale, la seconda di sviluppo di un modello numerico. La parte sperimentale consiste nella progettazione e implementazione, presso il laboratorio del dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, di un banco di prova appositamente realizzato per l'effettuazione di prove sperimentali sul sistema di accumulo di calore. La seconda parte presenta lo sviluppo di un modello numerico del sistema di accumulo di energia termica a calore latente (LHTES, ’latent heat thermal energy storage’). Il modello è stato sviluppato per mezzo di codici di simulazione numerica implementati in ambiente MatlabTM ed è stato validato utilizzando i dati sperimentali di temperatura rilevati in laboratorio nel corso delle prove sperimentali.