Experimental and numerical study of bio-based PCM integration for enhancing energy systems thermal performance

Abstract

The quest for cleaner and more sustainable energy solutions to meet human energy needs in response to the rapid growth of the world population and growing concerns about energy conservation, environmental sustainability, and the need to reduce greenhouse gas emissions (GHG) necessitates urgent attention. One of the promising solutions in addressing these energy fluctuation problems is using thermal energy storage (TES) systems, using phase change materials (PCMs). PCMs can provide key solutions to energy shortages, carbon emissions, and their serious threat to the environment. However, challenges remain, including long-term stability, low thermal conductivity, and the need for sustainable materials. Metal foams can be incorporated into PCM to enhance heat transfer and overcome these challenges. Studies indicate that parameters such as porosity and metal foam density affect the melting performance of PCM. Therefore, this study experimentally and numerically investigates the thermal performance of pure PCM (bio-PCM, specifically palm wax) and a numerical analysis of this PCM when embedded in a copper foam. The objective is to quantify the impact of these high-conductivity structures on heat transfer efficiency, phase change behavior, and thermal management, contributing to sustainable energy applications. The experimental setup includes a 100x100x22 mm3 reservoir, where acrylic walls are heated by a planar electric resistance. A NIKON D5300 camera with a macro lens evaluates the liquid fraction of PCM over time. To minimize heat losses, the setup is thermally insulated with polystyrene and a fiberglass blanket. Numerical results with pure PCM showed that, in the early melting stage, conduction is the dominant heat transfer mechanism. As the process progresses, the melting front acquires a convex shape due to the influence of natural convection. Moreover, numerical results indicate that incorporating copper foam accelerates PCM's melting, reducing the temperature gradient to achieve a highly stable thermally enhanced PCM that can be used for long-term TES/heat transfer applications.

A busca por soluções energéticas mais limpas e sustentáveis para atender às necessidades humanas de energia, em resposta ao rápido crescimento da população mundial e às crescentes preocupações com a conservação de energia, sustentabilidade ambiental e a necessidade de reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE), exige atenção urgente. Uma das soluções promissoras para lidar com essas flutuações energéticas é o uso de sistemas de armazenamento de energia térmica (TES), utilizando materiais de mudança de fase (PCMs). Os PCMs podem oferecer soluções-chave para a escassez de energia, as emissões de carbono e suas sérias ameaças ao meio ambiente. No entanto, ainda existem desafios, como estabilidade a longo prazo, baixa condutividade térmica e a necessidade de materiais sustentáveis. Espumas metálicas podem ser incorporadas ao PCM para melhorar a transferência de calor e superar esses desafios. Estudos indicam que parâmetros como porosidade e densidade da espuma metálica afetam o desempenho de fusão do PCM. Portanto, este estudo investiga experimental e numericamente o desempenho térmico de um PCM puro (bio-PCM, especificamente cera de palma) e realiza uma análise numérica desse PCM quando incorporado em uma espuma de cobre. O objetivo é quantificar o impacto dessas estruturas de alta condutividade na eficiência da transferência de calor, no comportamento da mudança de fase e na gestão térmica, contribuindo para aplicações energéticas sustentáveis. O experimento inclui um reservatório de 100x100x22 mm³, onde as paredes de acrílico são aquecidas por uma resistência elétrica plana. Uma câmera NIKON D5300 com lente macro é utilizada para avaliar a fração líquida do PCM ao longo do tempo. Para minimizar perdas de calor, o sistema é termicamente isolado com poliestireno e uma manta de fibra de vidro. Os resultados numéricos com o PCM puro mostraram que, na fase inicial de fusão, a condução é o principal mecanismo de transferência de calor. À medida que o processo avança, a frente de fusão adquire uma forma convexa devido à influência da convecção natural. Além disso, os resultados numéricos indicam que a incorporação de espuma de cobre acelera a fusão do PCM, reduzindo o gradiente de temperatura para alcançar um PCM termicamente melhorado e altamente estável, que pode ser utilizado em aplicações de armazenamento térmico e transferência de calor de longo prazo.