Investigations of a closed-loop thermosyphon operating with slurries of a microencapsulated phase-change material

• Main Author: Lamoureux, Alexandre
• Other Authors: Bantwal Baliga (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2012
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=110407

Complementary computational and experimental investigations of steady, laminar, fluid flow and heat transfer in a vertical closed-loop thermosyphon operating with slurries of a microencapsulated phase-change material (MCPCM) suspended in distilled water are presented.The MCPCM particles consisted of a solid-liquid phase-change material (PCM) encapsulated in a polymer resin shell. Their effective diameter was in the range 0.5 μm to 12.5 μm, and had a mean value of 2.5 μm. Tests conducted with a differential scanning calorimeter (DSC) yielded the following data: starting with the PCM in its solid state, during monotonic heating, its melting starts gradually at about 20.0 °C, occurs mainly between 25.8 °C to 28.6 °C, and is completed by about 32.5 °C; during cooling after complete melting, supercooling of the liquid PCM to a temperature of about 18.1 °C is required for the initiation of freezing, which is then completed by about 15.0 °C; if cooling is started after only partial melting, no supercooling is required to start the freezing process; and the latent heat of fusion of the encapsulated PCM is 129.5 kJ/kg. The DSC data were used to deduce the variation of the effective specific heat of the MCPCM with temperature during both heating (melting) and cooling (freezing) processes. The effective density of the MCPCM during these processes was also determined, and the rheological behavior of the slurries was characterized. In the range of parameters considered, the slurries exhibited non-Newtonian behavior. The related experimental equipment, procedures, findings, and correlations for the aforementioned effective properties (for temperatures between 5°C and 55°C) are presented and discussed. The effective thermal conductivity of the slurries was determined using a correlation available in the literature. A thermosyphon was designed, built, instrumented, and used in the experimental investigation. It consisted of two vertical straight pipes (ID = 10.21 mm, OD = 12.70 mm and height of 2.198 m) made of stainless steel (316), joined together by two vertical semi-circular 180° bends made of the same pipe (mean bend radius of 0.229 m). On a portion of one of the vertical pipes, a Teflon-insulated nichrome wire was tightly wound on the outer surface and electrically heated to provide a thermal boundary condition of essentially constant heat flux, ranging from 150 W/m^2 to 1850 W/m^2. A portion of the other vertical pipe was cooled using a concentric annular heat exchanger, and its wall temperature was maintained at 13 °C and 19.5 °C. The outer surfaces of these various components of the thermosyphon were very well insulated. Calibrated thermocouples were used to measure outer-wall-surface temperature at numerous points over the heated portion and the bulk temperature of the slurry at four different locations. A special procedure was formulated, benchmarked, and used to deduce the mass flow rate of the slurries in the thermosyphon. The experimental investigation was conducted with slurries of MCPCM mass concentration 0% (pure distilled water), 7.5%, 10%, 12.5%, 15%, and 17.5%.In the computational investigation, a cost-effective homogeneous mathematical model was proposed and used for simulations of the laminar fluid flow and heat transfer. A control-volume finite element method was formulated (with several novel features) and employed to solve the two-dimensional, steady, axisymmetric fluid flow and thermal problems in the vertical heating and cooling sections of the thermosyphon, where local buoyancy effects were significant. In the remaining portions of the thermosyphon, a quasi-one-dimensional thermofluid model was used and solved using a segmented numerical method. This 1-D/2-D model and the numerical methods are described with special attention being given to the treatment of highly variable properties.Finally, the numerical and experimental results obtained in this investigation are presented, compared, and discussed. === Cette thèse présente des études numériques et expérimentales complémentaires d'écoulements laminaires et de transfert de chaleur en régime permanent au sein d'un thermosiphon à boucle fermée verticale opérant avec des suspensions de microcapsules d'un matériau à changement de phase (MCMCP) dispersées dans de l'eau distillée.Les MCMCP sont formées d'un matériau à changement de phase (MCP) encapsulé dans une enveloppe de résine polymérique. Leur diamètre équivalent est compris entre 0,5 μm et 12,5 μm et possède une valeur moyenne de 2,5 μm. Des études menées à l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage (CDB) ont permis d'obtenir les données suivantes : lorsque soumis à un réchauffement continu à partir de l'état solide, la fusion du MCP s'amorce autour de 20,0 °C, se produit principalement entre 25,8 °C et 28,6 °C et se termine autour de 32,5 °C ; lorsqu'un refroidissement est entamé suite à une fusion complète, un abaissement de la température du MCP liquide à 18,1 °C est nécessaire afin d'amorcer la solidification qui se conclut alors à 15,0 °C ; si le refroidissement est entamé suite à une fusion partielle, le phénomène de surfusion décrit précédemment est absent ; finalement, la chaleur latente de fusion du MCP encapsulé est de 129,5 kJ/kg. Les données obtenues à l'aide du CDB ont permis d'évaluer la chaleur massique équivalente des MCMCP en fonction de la température lors d'un chauffage (fusion) et d'un refroidissement (solidification). La masse volumique équivalente des MCMCP fut aussi mesurée pour ces deux processus et le comportement rhéologique des MCMCP fut caractérisé comme étant non newtonien. Le matériel expérimental, les procédures, les résultats ainsi que les corrélations décrivant les propriétés équivalentes énumérées ci-haut (pour des températures allant de 5 °C à 55 °C) sont présentés. Un thermosiphon a été conçu, construit, instrumenté et utilisé afin de mener les expériences. Il est composé de deux tuyaux verticaux (diamètres interne et externe de 10,21 mm et 12,70 mm) faits d'acier inoxydable (316) et joints par deux coudes de 180° (rayon de courbure de 0.229 m) de sections transversales identiques. Un fil de nichrome recouvert d'une gaine isolante de Téflon embobiné autour d'une portion de la surface extérieure de l'un des tuyaux verticaux et ensuite chauffé à l'aide d'un courant électrique permit d'appliquer une condition aux limites s'apparentant à un flux thermique essentiellement constant (allant de 150 W/m^2 à 1850 W/m^2). Une portion de l'autre tuyau vertical a été refroidie à l'aide d'un échangeur de chaleur annulaire grâce auquel la température de sa paroi externe fut maintenue à 13 °C et 19.5 °C. Les surfaces externes des composants formant le thermosiphon ont été recouvertes d'un isolant. Des thermocouples étalonnés ont permis de mesurer la température de la surface externe de la section chauffante à de multiples endroits ainsi que la température de mélange à quatre emplacements de la boucle. Une procédure permettant de mesurer le débit massique des suspensions au sein du thermosiphon a été formulée et validée. Les études expérimentales ont été menées avec des suspensions ayant des concentrations massiques de 0% (eau distillée), 7.5%, 10%, 12.5%, 15% et 17.5%.Un modèle homogène a été proposé et utilisé lors des simulations d'écoulements et de transfert de chaleur en régime laminaire. Une méthode des éléments finis à volumes de contrôle a été formulée ainsi qu'améliorée avant d'être ultimement utilisée afin de résoudre les problèmes stationnaires et axisymétriques au sein des sections de chauffage et de refroidissement, où les effets de convection mixte sont significatifs. Une approche quasi unidimensionnelle, résolue à l'aide d'une méthode numérique segmentée, a été utilisée dans les autres sections du thermosiphon afin d'y résoudre les problèmes d'écoulements et de transfert de chaleur.Finalement, les résultats des simulations et des expériences sont présentés, comparés puis discutés.