Using a cellular metal structure to improve the thermal performance of a latent heat storage system

Abstract

Termisk energilagring har potensial for mer effektiv og miljøvennlig energibruk, ved at overflødig varme lagres til senere bruk. Ved vedfyring er det ikke uvanlig at tilgjengelig varme overstiger varmebehovet og varmelagring, ved bruk av tunge materialer, går langt tilbake i tid. Bruk av faseendringsmaterialer (PCM) for varmelagring i latente varmelagre (LHS) sammen med vedovn, er et lovende konsept. Et latent varmelager kan være lettere og mer kompakt enn et tradisjonelt varmelager, på grunn av materialers store lagringskapasitet per volumenhet under faseendring. Den praktiske implementeringen er imidlertid ikke uten utfordringer.

Arbeidet presentert i denne rapporten har hatt som mål å forbedre den termiske ytelsen til et latent varmelager, for bruk i kombinasjon med vedovn. Det aktuelle faseendringsmaterialet er "high-density polyethylene" (HDPE). Gjennom numerisk analyse har det blitt undersøkt å benytte en celleformet metallstruktur for å forbedre varmeoverføringen til lageret. Fokuset har vært på hvordan varmefordelingen i en metallstruktur/PCM-kompositt påvirkes av cellestørrelse, tykkelse på metalltråd og volumforhold mellom PCM og metall. Praktiske aspekter og utfordringer ved konstruksjon av et slikt lager har også blitt vurdert.

Programmet ANSYS Fluent ble benyttet til å utføre CFD simuleringer av to ulike geometrier: En enkelt metalltråd omringet av en sylinder av PCM og en cellestruktur fylt med PCM. Sylinderen hadde en diameter på 10 mm og var 100 mm høy. Metalltråder med diametere på 0.5 mm, 1 mm og 2 mm ble undersøkt. Cellestrukturen hadde en tråddiameter på 1 mm og en maksimal cellestørrelse på 14 mm. Kobber, aluminium, nikkel, støpejern og rustfritt stål har blitt vurdert som strukturmaterialer.

Den numeriske analysen konkluderer med at god varmeledning oppover i metallstrukturen er viktig for å oppnå tilstrekkelig høye temperaturer til å smelte PCMet på toppen av strukturen. Forholdet mellom tråddiameter og strukturhøyde er viktig i dette henseende, og det samme er strukturmaterialets termiske konduktivitet. Det sistnevnte påvirker også lagringskapasiteten til LHS systemet, ettersom en kompositt med høy effektiv termisk konduktivitet kan ha en mindre andel metall og derav en større andel PCM. Størrelsen på cellene må sees i sammenheng med tykkelsen på metalltrådene og den termiske konduktiviteten i strukturen, da smeltehastigheten i PCMet avhenger av temperaturen på metallstrukturen.

Det er flere praktiske utfordringer med å kombinere en cellulær struktur med HDPE. Dette skyldes i stor grad at HDPE blir svært lite flytende når det smelter. Den numeriske analysen viser potensial for forbedret varmeoverføring ved bruk av metallstrukturer, men det anbefales å undersøke alternative faseendringsmaterialer, med mer flytende konsistens, dersom det er ønskelig å benytte en cellestruktur.

Thermal energy storage has the potential for more efficient and environmentally friendly energy use, as it allows for excess thermal energy to be stored and used at a later time. With the transient heat release of wood stoves, a discrepancy between heat demand and available thermal energy is not uncommon, and sensible heat storage in combination with wood stoves are widely used. The use of phase change materials (PCM) for latent heat storage (LHS) together with wood stoves is a lesser explored, yet promising concept. A latent heat storage system can have a more compact and lightweight design than a traditional heat storage, due to the large storage capacity per volume unit of phase change materials. However, the practical implementation of the concept is not without challenges.

This thesis aims to improve the thermal performance of a latent heat storage unit, for use in combination with wood stoves, with high-density polyethylene (HDPE) as PCM. Utilizing a cellular metal structure to enhance the heat transfer to the storage has been investigated through numerical analysis, using CFD software ANSYS Fluent. Wire thickness, pore size and porosity of metal structures have been evaluated with regards to their effect on heat distribution in metal structure/PCM-composites. Practical aspects and challenges have also been considered.

Two geometries were used for simulations: A cylinder of PCM with a wire along the center line, and a cellular structure filled with PCM. The cylinder had a 10 mm diameter and was 100 mm long. Wire diameters of 0.5 mm, 1 mm and 2 mm were investigated. The cellular structure had a wire diameter of 1 mm and cell width of 14 mm. Copper, aluminum, nickel, cast iron and stainless steel were evaluated as structure materials.

The numerical analysis concludes that good upward heat conduction in the metal structure is important to achieve sufficiently high temperatures to melt the PCM at the top of the structure. Wire diameter to structural height ratio is important in this regard, as is the thermal conductivity of the structure material. The latter also affects the storage capacity of the LHS system, as a structure with high thermal conductivity can have a higher porosity and thereby contain more PCM. Pore size must be seen in relation to wire thickness and thermal conductivity of the structure, as the rate at which the PCM melts, varies depending on the temperature of the metal structure.

Using cellular structures in combination with high-density polyethylene pose for several practical challenges, which to a large extent is related to the texture of melted high-density polyethylene. The numerical analysis show potential for enhanced heat transfer using metal structures, however, it is recommended to investigate alternative phase change materials, having a more liquid consistency, if choosing to proceed with cellular structures.