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000163085 1001_ $$aTajik Jamalabad, Milad
000163085 24500 $$aNew models of phase transition for the simulation of paraffin-type PCMs
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000163085 4900_ $$aTesis de la Universidad de Zaragoza$$v2025-299$$x2254-7606
000163085 500__ $$aPresentado: 16 07 2025
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000163085 520__ $$aLa importancia de las fuentes de energía renovables en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero es ampliamente reconocida. Sin embargo, su variabilidad e impredecibilidad, particularmente en el caso de la energía solar y eólica, requieren la integración de tecnologías de almacenamiento. Para la energía solar, las soluciones de almacenamiento ayudan a cerrar la brecha entre la generación y el consumo de energía. Un método prometedor para almacenar energía térmica, específicamente calor latente, es el uso de materiales de cambio de fase (PCM). <br />Este estudio investiga principalmente la solidificación de PCM en recintos cilíndricos, un proceso crucial en los sistemas de almacenamiento de energía térmica que requiere un modelado analítico y numérico preciso. Explora tanto métodos analíticos como computacionales para mejorar la predicción de la dinámica de solidificación. <br />Inicialmente, se examina el proceso de solidificación dentro de recintos cilíndricos y se derivan soluciones analíticas para rastrear las posiciones de la interfaz a lo largo del tiempo. Estas soluciones permiten predecir las ubicaciones transitorias de la interfaz y el tiempo total necesario para la solidificación completa. Los resultados analíticos se comparan con la literatura existente, particularmente para casos en los que el PCM exhibe una conductividad térmica constante, mostrando una fuerte concordancia con hallazgos previamente reportados. Luego, el análisis se extiende a escenarios donde la conductividad térmica varía con la temperatura. Por primera vez, se aplican técnicas de perturbación para determinar analíticamente la distribución dimensional de la temperatura en ambas fases. Se introduce un modelo lineal para considerar la variación dependiente de la temperatura en la conductividad térmica, refinando aún más la precisión de las predicciones de solidificación. <br />En la segunda fase de esta investigación, se realiza un estudio numérico para predecir las variaciones de temperatura durante la solidificación de un PCM basado en parafina comercial dentro de un cilindro vertical bajo condiciones de historial de temperatura (T-history). La parafina es ampliamente reconocida por su rentabilidad, su capacidad sustancial de calor latente y su rango de temperatura de cambio de fase adaptable, típicamente entre 46°C y 68°C en sistemas PCM sólido-líquido. Las características de cambio de fase de la parafina se determinan mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC), que proporciona parámetros clave como el rango de temperatura de cambio de fase, el calor latente y la curva de capacidad calorífica específica frente a la temperatura (
000163085 520__ $$aThe importance of renewable energy sources in reducing greenhouse gas emissions is well known, but their variability necessitates energy storage solutions. Phase change materials (PCMs) are a promising option for thermal energy storage, particularly through latent heat storage. This study focuses on the solidification of PCMs in cylindrical enclosures, a key process in thermal energy storage, using both analytical and numerical methods. First, an analytical model is developed to track the solidification front over time in cylindrical enclosures. This model provides transient interface positions and total solidification time predictions. It is validated against existing literature, showing strong agreement for PCMs with constant thermal conductivity. The study then extends to cases where thermal conductivity varies with temperature, applying perturbation techniques to derive dimensional temperature distributions. A linear model accounts for temperature-dependent conductivity, improving solidification predictions. Next, a numerical study investigates the solidification of paraffin-based PCM in a vertical cylinder under T-history conditions. Paraffin is widely used due to its cost-effectiveness and high latent heat capacity, with phase-change characteristics determined through differential scanning calorimetry (DSC). Cooling tests are conducted under controlled conditions to maintain uniform temperatures. Three numerical approaches are implemented: the enthalpy-porosity method, the Apparent Heat Capacity (AHC) method, and a custom fixed-grid approach. Simulations use ANSYS Fluent, employing two numerical models. The first is a detailed 2D model including all experimental setup components, used to calibrate external heat transfer conditions. The second is a simplified axisymmetric model of PCM material, incorporating external heat transfer effects. To enhance computational efficiency, a method for optimizing surface emissivity and radiative heat transfer is proposed, reducing computational costs while maintaining accuracy. The proposed model accurately predicts cooling curves and outperforms the enthalpy-porosity method, which incorrectly models the final liquid disappearance and introduces errors in slope changes. The new model captures a gradual solidus transition but has limitations, such as requiring predefined heating rates for Cp(T) determination. The Cp(T) -based method is best suited for well-characterized systems with extensive experimental data, while the enthalpy-based method is preferable for complex phase change modeling and cases with limited data. A literature review highlights that PCM solidification simulations depend on input parameters and modeling assumptions. This study examines the influence of the mushy zone parameter (Amushy) and thermal properties like thermal conductivity, density, latent heat, and specific heat. While Amushy significantly affects melting due to natural convection, its effect on solidification is smaller, as conductive heat transfer dominates. Higher Amushy values reduce solidification time, and increasing most thermal properties slows solidification, except for thermal conductivity, which accelerates it. Among these properties, latent heat is the most critical for accurate modeling. This study provides valuable insights into PCM solidification, improving analytical and numerical predictions for thermal energy storage applications.<br />
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000163085 692__ $$aAsegurar el acceso a energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas para todos. Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación. Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos.
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