The topic of this doctoral thesis is to study the thermal properties of PCM materials and discussion of their use for cooling of photovoltaic systems. The aim of the study is to measure and characterize the thermal properties of commercial PCM materials (Micronal®), their practical use is related to the phase transitions. The behavior of bulk materials at different temperatures is well described theoretically and experimentally verified. For the application use it is necessary to examine and determine the thermal properties of PCM materials depending on the phase transitions during heating and cooling. To study the thermal properties of materials the known transient methods of measuring are used which give full information about the behavior of the materials investigated in dependence on the temperature and thus allow the determination of the thermo-physical parameters of the system. For the transient measurements there are used especially pulse transient and step wise method. Newly is used also combination of linear temperature rise (the ramp wise) and the step wise method. The principle is based on the generation of a small amount of heat inside the studied sample and it is measured the thermal response of the system from which it may be then determined the necessary thermo-physical parameters. The theoretical part of this thesis focuses on characterization of methods for the determination of thermo-physical parameters of the investigated material. In the experimental part of the approached process of experiment, the results, the method of evaluation of the obtained data and also the discussion of results from the viewpoint of potential applications are presented.

Nous développons dans ce travail de thèse un outil de simulation numérique pour les matériaux à changement de phase (MCP), en tenant compte du phénomène de convection naturelle dans la phase liquide, pour des configurations en deux et trois dimensions. Les équations de Navier-Stokes incompressible avec le modèle de Boussinesq pour la prise en compte des forces de flottabilité liées aux effets thermiques, couplées avec une formulation de l’équation d’énergie suivant la méthode d’enthalpie, sont résolues par une méthode d’éléments finis adaptatifs. Une approche mono-domaine, consistant à résoudre les mêmes systèmes d’équations dans les phases solide et liquide, est utilisée. La vitesse est ramenée à zéro dans la phase solide, en introduisant un terme de pénalisation dans l’équation de quantité de mouvement, suivant le modèle de Carman-Kozeny, consistant à freiner la vitesse à travers un milieu poreux. Une discrétisation spatiale des équations utilisant des éléments finis de Taylor-Hood, éléments finis P2 pour la vitesse et éléments finis P1 pour la pression, est appliquée, avec un schéma d’intégration en temps implicite d’ordre deux (GEAR). Le système d’équations non-linéaires est résolu par un algorithme de Newton. Les méthodes numériques sont implémentées avec le logiciel libre FreeFem++ (www.freefem.org), disponible pour tout système d’exploitation. Les programmes sont distribués sous forme de logiciel libre, sous la forme d’une forme de toolbox simple d’utilisation, permettant à l’utilisateur de rajouter d’autres configurations numériques pour des problèmes avecchangement de phase. Nous présentons dans ce manuscrit des cas de validation du code de calcul, en simulant des cas tests bien connus, présentés par ordre de difficulté croissant : convection naturelle de l’air, fusion d’un MCP, le cycle complet fusion-solidification, chauffage par le bas d’un MCP, et enfin, la solidification de l’eau. / In this thesis we develop a numerical simulation tool for computing two and three-dimensional liquid-solid phase-change systems involving natural convection. It consists of solving the incompressible Navier-Stokes equations with Boussinesq approximation for thermal effects combined with an enthalpy-porosity method for the phase-change modeling, using a finite elements method with mesh adaptivity. A single-domain approach is applied by solving the same set of equations over the whole domain. A Carman-Kozeny-type penalty term is added to the momentum equation to bring to zero the velocity in the solid phase through an artificial mushy region. Model equations are discretized using Galerkin triangular finite elements. Piecewise quadratic (P2) finite-elements are used for the velocity and piecewise linear (P1) for the pressure. The coupled system of equations is integrated in time using a second-order Gear scheme. Non-linearities are treated implicitly and the resulting discrete equations are solved using a Newton algorithm. The numerical method is implemented with the finite elements software FreeFem++ (www.freefem.org), available for all existing operating systems. The programs are written and distributed as an easy-to-use open-source toolbox, allowing the user to code new numerical algorithms for similar problems with phase-change. We present several validations, by simulating classical benchmark cases of increasing difficulty: natural convection of air, melting of a phase-change material, a melting-solidification cycle, a basal melting of a phase-change material, and finally, a water freezing case.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

[ES] Esta memoria de tesis presenta una contribución al estudio de los materiales textiles en el campo de la absorción sonora. En concreto, se ha trabajado con la asociación de una capa absorbente fibrosa constituida por una estructura laminar no tejida cuya composición es poliéster y una capa resistiva a base de tejido de calada también compuesta de poliéster. El objetivo de este trabajo consiste en evaluar las variaciones que provocan los cambios en distintos parámetros de construcción de la capa resistiva, sobre el comportamiento del conjunto ante el sonido. Para abordar el problema se emplean distintos tejidos de calada, tales como telas simples, múltiples, acolchadas y rizo, con diferentes parámetros de construcción. Se mide el coeficiente de absorción de sonido al aplicarlas a diferentes espesores de estructura no tejida de poliéster, empleando el tubo de ondas estacionarias. Tras analizar los resultados obtenidos, se observan diferencias en los coeficientes de absorción de sonido alcanzados, las cuales se explican atendiendo al espesor del no tejido, pero también se observa la influencia de las características constructivas de los tejidos empleados. Finalmente, se emplea el diseño de experimentos para obtener la combinación óptima de parámetros que proporciona el mayor coeficiente de absorción de sonido para un tipo de tejido dado en todas las frecuencias estudiadas. Se concluye que, la modificación en la absorción de sonido de una estructura no tejida al aplicar una capa resistiva de tejido de calada, es lo suficientemente significativa como para ser tenida en cuenta a la hora de diseñar productos textiles para acondicionamiento acústico y que el diseño de experimentos constituye una herramienta de gran utilidad a este fin. / [CAT] Aquesta memòria de tesi presenta una contribució a l'estudi dels materials tèxtils en el camp de l'absorció sonora. En concret, s'hi ha treballat amb l'associació d'una capa absorbent fibrosa constituïda per un no teixit de polièster i una capa resistiva a base de teixit de calada de composició polièster. L'objectiu d'aquest treball consisteix a avaluar les variacions que provoquen els canvis en diferents paràmetres de construcció de la capa resistiva, sobre el comportament del conjunt davant el so. Per a abordar el problema s'empren diferents teixits de calada, com ara teles simples, múltiples, encoixinats i ris, amb diferents paràmetres de construcció. Es mesura el coeficient d'absorció en aplicarles a diferents grossàries de no teixit de polièster, emprant el tub d'ones estacionàries. S'observen diferències en els coeficients d'absorció de so obtinguts, les quals s'expliquen atenent la grossària del no teixit, però també a les característiques constructives dels teixits emprats. Finalment, s'empra el disseny d'experiments per a obtenir la combinació òptima de paràmetres que proporciona el major coeficient d'absorció de so per a un tipus de teixit donat en totes les freqüències estudiades. Es conclou que la modificació en l'absorció de so d'un no teixit en aplicar una capa resistiva de teixit de calada és prou significativa per a ser tinguda en compte a l'hora de dissenyar productes tèxtils per a condicionament acústic i que el disseny d'experiments constitueix una eina de gran utilitat a aquest efecte. / [EN] This thesis report presents a contribution to the study of textile materials in the field of sound absorption. Specifically, we have worked with the association of a fibrous absorbent layer consisting of a polyester nonwoven and a resistive layer based on openwork fabric. The objective of this work is to evaluate the variations that cause the changes in different construction parameters of the resistive layer, on the behaviour of the whole before the sound. To address the problem, different openwork fabrics are used, such as single, multiple, quilted and curl fabrics, with different construction parameters. The absorption coefficient is measured when applied to different thicknesses of polyester nonwoven, using the standing wave tube. Differences are observed in the sound absorption coefficients obtained, which are explained according to the thickness of the nonwoven, but also to the constructive characteristics of the fabrics used. Finally, the design of experiments is used to obtain the optimal combination of parameters that provides the highest sound absorption coefficient for a given type of tissue at all frequencies studied. It is concluded that the modification in the sound absorption of a nonwoven when applying a resistive layer of openwork fabric is significant enough to be taken into account when designing textual products for acoustic conditioning and that the design of experiments constitutes a very useful tool for this purpose. / Al departamento de Ingeniería Textil y Papelera y a la unidad docente de Alcoy del departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de Estructuras, por facilitarme los medios necesarios para realizar todas las actividades que han sido necesarias. A Jaime Ramis Soriano, por recibirme en el laboratorio de Grupo de Acústica Aplicada del IUFACyT de la Universidad de Alicante. / Segura Alcaraz, MDP. (2020). Empleo de textiles en aplicaciones de absorción sonora [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159786 / TESIS