Study of the Thermal Performance of Metal Foam and PCM Composite for Thermal Energy Storage

Etude de performance thermique de mousse métallique et de MCP composite pour le stockage d'énergie thermique

Xusheng Hu (1)

1 LASMIS - Laboratoire des Systèmes Mécaniques et d'Ingénierie Simultanée

The aim of this Ph.D. thesis is to study the thermal performance of metal foam and phase change material (PCM) composite by using the experimental and numerical methods, in which metal foam possesses a cubic cell structure and is fabricated by 3D printing technique. Firstly, the effects of contact and heat conditions on heat storage rate of PCM composite are investigated to provide theoretical guidance for the practical application of PCM composite in thermal energy storage (TES) system. Then the metal foam with a cubic cell structure is designed and fabricated by 3D printing. The experimental investigation is carried out to examine the melting evolution of PCM embedded in metal foam. Meanwhile, the pore-scale numerical method is also proposed and used to investigate heat transfer characteristics of PCM composite. It is found from the results that the embedding metal foam can short the total melting time of PCM. Considering the influence of morphology parameters of metal foam, the thermal behavior of metal foam with different porosities and pore densities is numerically studied. The last part of this thesis explores the application of metal foam in PCM based heat sink. The thermal response of heat sinks using PCM composite is obtained by the experimental test, including base temperature, temperature variation, operating time and enhancement ratio of operating time. Also, the effects of the porosity of metal foam and the power level of the heater on the thermal response of heat sink are investigated.

Le but de cette thèse est d'étudier les performances thermiques d'une mousse métallique ainsi que de ses composites avec un matériau à changement de phase (MCP) en utilisant des méthodes expérimentales et numériques. La mousse métallique étudiée possède une structure cellulaire cubique. Les effets des conditions de contact et de chaleur sur le taux de stockage de chaleur dans le composite MCP sont d’abord simulés numériquement. Ensuite, la mousse métallique avec une structure cellulaire cubique est conçue et fabriquée par impression 3D. L'étude expérimentale permet par la suite d’observer l'évolution de la fusion du MCP introduit dans la mousse métallique. Parallèlement, une méthode numérique à l'échelle des pores est utilisée pour simuler les caractéristiques de transfert thermique dans le composite MCP. Il ressort des résultats que la mousse métallique d'enrobage peut réduire le temps total de fusion du matériau MCP. Compte tenu de l'influence des paramètres de morphologie de la mousse métallique, nous avons étudié numériquement le comportement thermique de la mousse métallique en variant la porosité et la densité de pores. La dernière partie de cette thèse consiste à explorer une application de la mousse métallique dans les dissipateurs thermiques à base de MCP. Les essais expérimentaux sur composite MCP permettent d’obtenir la réponse thermique des dissipateurs thermiques. Les effets de la porosité de la mousse métallique et de la puissance du chauffage sur la réponse thermique du dissipateur thermique sont également mis en évidence.

Mots clés: Metal foams; Metallic composites; Three-dimensional printing; Thermal analysis; Heat storage; Simulation methods

Mots clés: Mousses métalliques; Composites à matrice métallique; Impression 3D; Analyse thermique; Chaleur -- Stockage; Simulation; Méthodes de

Domaines: Matériaux; Matériaux composites et construction; Thermique [physics.class-ph]; Modélisation et simulation

Xusheng Hu. Study of the Thermal Performance of Metal Foam and PCM Composite for Thermal Energy Storage. Materials. Université de Technologie de Troyes, 2021. English. ⟨NNT : 2021TROY0003⟩. ⟨tel-03808728⟩