Advanced Thermal Energy Systems Based On Paraffin Waxes Applicable In Building Industry

Thermal energy storage systems are crucial for reducing dependency on fossil fuels and minimizing CO2 emissions. The building sector is a major sector responsible for producing high levels of CO2 in most countries (including Qatar). Thermal energy storage can be accomplished either by using sensible heat storage or latent heat storage components. Latent heat storage is more attractive than sensible heat storage because of its high storage density with smaller temperature fluctuations.[1] The materials able to utilize latent heat which can undergo phase changes (usually solid to liquid changes) at relatively low temperatures, while absorbing or releasing high amounts of energy are called phase change materials (PCMs).[2] Most promising PCMs are paraffin waxes which contain saturated hydrocarbon mixtures. They are frequently used due to their numerous advantages such as high latent heat of fusion, negligible super-cooling, and chemical inertness.[3,4] In this contribution, thermal properties of the PCMs based on linear low density polyethylene (LLDPE), different types of paraffin waxes with melting points, 25 oC and 42 oC, and expanded graphite (EG) were characterized by unique transient guarded hot plate technique (TGHPT), which allow to identified thermal properties of large sized samples[5] in comparison with commonly used ifferential scanning calorimetry (DSC). It was confirmed that all prepared PCMs were able to store and release huge amount of thermal energy. The 25 % increase of capacity to store and release a thermal energy was observed by PCMs contains paraffin wax with melting point 25 oC in comparison with paraffin wax with melting point 42 oC. Also reproducibility of storage and release heat of the PCMs by repeating of heating and cooling process has been demonstrated. Moreover, the increase of the EG content in the PCMs led to the increase of thermal conductivity from 0.24 W/mK for PCMs without EG to 1.3 W/mK for PCMs contain 15 wt.% of EG. Additionally, life cycle assessment of prepared PCMs has been demonstrated to identify the effects of these new materials on the Qatar environment. Our results indicate that using of PCMs in building industry can reduce emission of CO2 up to 10%.qscienc

Thermally conductive polyethylene/expanded graphite composites as heat transfer surface: Mechanical, thermo-physical and surface behavior

Composites of high-density polyethylene (HDPE) and expanded graphite (EG) are prepared for heat exchangers in multi-effect distillation (MED) desalination. At 50 wt.% EG loading, the thermal conductivity of HDPE was increased by 372%. Moreover, the surface wettability of the HDPE/EG composite was enhanced by corona and RF plasma treatment as demonstrated by the increase in surface free energy from 28.5 mJ/m2 for untreated HDPE/EG to 55.5 and 54.5 mJ/m2 for HDPE/EG treated by corona and RF plasma, respectively. This enhanced surface wettability was retained over a long time with only a 9% and 18% decrease in RF and corona plasma-treated samples’ surface energy after two months. The viscoelastic moduli and the complex viscosity profiles indicated that EG content dictates the optimum processing technique. At loading below 30 wt.%, the extrusion process is preferred, while above 30 wt.% loading, injection molding is preferred. The plasma treatment also improved the HDPE/EG composite overall heat transfer coefficient with an overall heat transfer coefficient of the composite reaching about 98% that of stainless steel. Moreover, the plasma-treated composite exhibited superior resistance to crystallization fouling in both CaSO4 solution and artificial seawater compared to untreated composites and stainless-steel surfaces. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.Qatar National Research Fund (A Member of the Qatar Foundation) [NPRP10-0205-170349

Transferts de chaleur dans un écoulement stationnaire de polymère fondu dans une filière d'extrusion

Il est reconnu que dans certaines conditions, le dégagement de chaleur résultant de la dissipation visqueuse au sein d'un écoulement de polymère fondu est la source d'une hétérogénéité de température au sein du fluide. Les écoulements dans les filières d'extrusion ou dans les canaux d'injection de polymères thermoplastiques de viscosité élevée rentrent dans ce cadre (forte dissipation au voisinage des parois métalliques. L'objectif de ce travail est de développer des outils d'analyse thermique à la fois sur le plan expérimental et numérique qui permettent de reconstruire les cartes de températures dans l'ensemble de la veine d'écoulement. Nous avons donc conçu une filière d'extrusion plate, instrumentée sur sa longueur de capteurs de température, placés suffisamment proche de l'écoulement pour qu'ils soient sensibles à la dissipation visqueuse. Une fois les températures acquises, elles restent des mesures indirectes et un traitement spécifique doit être envisagé pour en déduire le profil de température d'entrée de l'écoulement (en conséquence les températures dans tout le domaine. Nous avons donc développé une méthode d'estimation de ce profil d'entrée, construite sur des techniques classiques de résolution de problèmes inverses. Elle consiste à comparer les températures mesurées à celles calculées numériquement avec un outil de simulation et à corriger le profil de température d'entrée du modèle numérique jusqu'à la parfaite concordance des températures aux points de mesure. L'originalité de cette étude vient du fait que les transferts de chaleur considérés dans la résolution du problème inverse, portent simultanément sur les transferts conductifs et convectifs au sein de la filière, et que le modèle retenu intègre les équations de Navier-Stokes. Les premiers résultats expérimentaux mettent en évidence l'importance effective de la dissipation visqueuse sur le caractère isotherme de l'écoulement et ouvrent des voies prometteuses, notamment sur l'amélioration des approches thermiques en rhéométrie.It is recognized that under certain conditions, the release of heat resulting from viscous dissipation within a polymer flow is the source of heterogeneity of temperature within the fluid. The flows in the extrusion dies or the channels of thermoplastic polymer injection of high viscosity return within this framework (high dissipation near the metal walls). The objective of this work is to develop tools for thermal analysis at the same time on the level experimental and numerical, which make it possible to rebuild the charts of temperatures in the whole of the vein of flow. We thus designed an extrusion die, instrumented over its length of thermocouples, placed sufficiently near to the flow so that they are sensitive to viscous dissipation. Once the acquired temperatures, they remains indirect measurements and a specific treatment must be planned to deduce the profile from it from inlet temperature of the flow (and by consequence temperatures in all the field). We thus developed a method to estimate this profile of entry, built on traditional techniques of inverse problems. It consists in comparing the temperatures measured with those calculated numerically with a tool for simulation and correcting the inlet temperature profile of the numerical model until the perfect agreement of the temperatures at the measurement points. The originality of this study comes owing to the fact that the heat transfers considered in the resolution of the inverse problem, relate simultaneously to the conductive and convective transfer within the die and the model selected integrates the Navier-Stokes equations. The first experimental results highlight the effective importance of viscous dissipation on the character anisotherme of the flow and open promising ways, in particular on the improvement of the thermal approaches in rheometry.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Méthode inverse pour la détermination expérimentale des propriétés thermophysiques des matériaux à changement de phase

International audienceDans cet article nous développons une méthode de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux à changement de phase (MCP). La méthode consiste à coupler un nouveau dispositif expérimental avec une méthode inverse. Elle permet de caractériser des échantillons cylindriques d'un rayon de 60 mm et d'une épaisseur de 10mm. La méthode inverse utilisée est la méthode du gradient conjugué. Dans ce travail, nous nous intéresserons uniquement à l'identification de la conductivité thermique en phase solide. Deux composites MCP ont été caractérisés: paraffine/ graphite synthétique (Timrex SFG75) et la paraffine/graphite industriel

Etude numérique de stockage d'énergie thermique dans un composite : mousses métalliques/matériaux à changement de phase

International audienceLes matériaux à changement de phase (MCP) ont suscité un grand intérêt grâce à leur capacité de stocker de l'énergie thermique dans des volumes réduits. Or, ces matériaux soufrent de leur faible conductivité thermique qui diminue leur performance. Les mousses métalliques à grande porosité apparaissent comme une solution attractive qui peut améliorer la conductivité thermique effective sans réduire la densité de stockage. Dans ce travail, l'étude du comportement thermique des mousses métalliques imprégnées de MCP a été entreprise. Un modèle mathématique basé sur les extensions de Forchheimer, de Brinkmann, de l'équation de Darcy et le modèle (TLNE) a été proposé. Le changement de phase est modélisé par la méthode enthalpie-porosité. La convection naturelle, l'effet inertiel et le transfert thermique entre les ligaments des mousses et le MCP sont prises en compte. Le modèle numérique a été validé par comparaison à des résultats expérimentaux et numériques de la littérature. A l'issue de cette étude, nous avons mis en évidence l'effet dominant de la conduction thermique, de la porosité et de la densité de pores sur le comportement thermique des composites mousse-MCP

Méthode inverse pour la détermination expérimentale des propriétés thermophysiques des matériaux à changement de phase

International audienceDans cet article nous développons une méthode de caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux à changement de phase (MCP). La méthode consiste à coupler un nouveau dispositif expérimental avec une méthode inverse. Elle permet de caractériser des échantillons cylindriques d'un rayon de 60 mm et d'une épaisseur de 10mm. La méthode inverse utilisée est la méthode du gradient conjugué. Dans ce travail, nous nous intéresserons uniquement à l'identification de la conductivité thermique en phase solide. Deux composites MCP ont été caractérisés: paraffine/ graphite synthétique (Timrex SFG75) et la paraffine/graphite industriel

Thermophysical Characterization of Paraffins versus Temperature for Thermal Energy Storage

Latent heat storage systems (LHSS), using solid–liquid phase change materials (PCMs), are attracting growing interest in many applications. The determination of the thermophysical properties of PCMs is crucial for selecting the appropriate material for an LHSS and for predicting the thermal behavior of the PCM. In this context, the thermophysical characterization of four paraffins (RT21, RT27, RT35HC, RT50) at different temperatures, including the solid and liquid phases, is conducted in this investigation. This work is part of a strategic technological brick in the CERTES laboratory of the Paris Est University to build a database for phase change material properties. It contains the measurements of the thermophysical, optical and mechanical properties. It will serve as input for the numerical simulations to study the behavior of PCMs in LHSS. The temperatures and the latent heats of the phase transitions as well as the thermal dependence of the specific heat of the paraffins were evaluated by differential scanning calorimetry (DSC). In addition, the DSC measurements under successive thermal cycles revealed good reliability of the paraffins. Thermogravimetric analysis (TGA) was performed, and the results highlighted the thermal stability of the paraffins. Moreover, the evolutions of the thermal conductivities and diffusivities with temperature were measured simultaneously using the hot disk method. A discontinuity of the thermal conductivities was observed near the melting temperatures. Furthermore, the measurements of the densities of the paraffins at different temperatures were carried out. The volume changes and the coefficients of thermal expansion were assessed. The obtained outcomes of this study were compared with the available bibliographical data