Publication:
Assessment of the impact of phase change material encapsulation geometry on rate of heat transfer

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Authors
Torres-González, Deyaneira
Embargoed Until
Advisor
Torres-Nieves, Sheilla N.
College
College of Engineering
Department
Department of Mechanical Engineering
Degree Level
M.S.
Publisher
Date
2021-10-27
Abstract
The improvement of encapsulated phase-change materials (PCM) used for thermal energy storage or as a thermal management tool is crucial in the development of more efficient systems with applications in the renewable energy and aerospace fields, among others. The heat transfer mechanisms that encompass PCMs strongly depends on the shape of the container that encloses the PCM. This study seeks to improve the thermal performance of encapsulated PCM by finding the optimal geometry for heat transfer and heat storage capacity. Numerical simulations were performed to assess the effects of geometry on the heat transfer rate and other phenomenon. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model was developed to study PCM encapsulated in various geometries. Five cases with the same PCM material and volume were evaluated: (1) sphere, (2) cube, (3) cylinder L/D = 5, (4) cylinder L/D = 39 and (5) cylinder L/D = 71. Results show that the melting and solidification rates were faster for the cylindrical capsule with the highest L=D ratio and the energy stored and released rates were also faster for this geometry. Therefore, this geometry shows better thermal performance overall followed by the cubical capsule. Furthermore, an energy analysis that was completed during the solidification process implies that the geometrical configuration of the PCM plays an important role in the fluid dynamics inside and outside of the capsule and need to be further understood, and, hence, the surface area of the capsule and volume of the PCM are not sufficient selection criteria to design encapsulated PCM.

El mejoramiento de los materiales encapsulados de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) utilizados para el almacenamiento de energía térmica o como herramienta de manejo termal es crucial en el desarrollo de sistemas más eficientes con aplicaciones en los campos de energía renovable y aeroespacial, entre otros. Los mecanismos de transferencia de calor que afectan a los PCM dependen en gran medida de la forma del recipiente que les envuelve. Este estudio busca mejorar el rendimiento térmico del PCM encapsulado al identificar la geometría óptima para la transferencia de calor y la capacidad de almacenamiento de calor. Con este objetivo, se completaron simulaciones numéricas de dinámica de fluidos para evaluar los efectos de la geometría en la razón de transferencia de calor y otros fenómenos. Se desarrolló ademas, un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) tridimensional para estudiar PCM encapsulado en varias geometrías. Se evaluaron cinco casos con el mismo volumen del sistema y material PCM: (1) esfera, (2) cubo, (3) cilindro L/D =5, (4) cilindro L/D = 39 y cilindro L/D 71. Los resultados muestran que las velocidades de fusión y solidificación fueron más rápidas para la cápsula cilíndrica con la relación L/D más alta y que la absorción de energía y la razon de liberación fueron más rápidas para esta geometría. Por lo tanto, esta geometría muestra un mejor rendimiento térmico en general seguido por la cápsula cubica. Además, un análisis de energía que se realizo durante el proceso de solidificación implica que la configuración geométrica del PCM juega un papel importante en la dinámica de fluidos dentro y fuera de la cápsula y es necesario entender mejor, por lo tanto, el área superficial de la cápsula y el volumen del material no son criterios de selección suficientes para diseñar PCM encapsulados.
Keywords
Heat transfer,
PCM,
enhancement,
encapsulation,
geometry
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Cite
Torres-González, D. (2021). Assessment of the impact of phase change material encapsulation geometry on rate of heat transfer [Thesis]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/2826