Inverse identification of hysteresis behaviour of paraffin-based phase change materials
Loading...
Date
Authors
Zálešák, Martin
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Z makroskopického hlediska znamená hystereze změny skupenství (PCH - z angl. phase change hysteresis), že trajektorie procesu fázové změny (například tuhnutí) nezachycuje teplotně-entalpickou cestu svého inverzního procesu (tání). Přestože je to běžný jev u většiny materiálů pro fázovou změnu (PCMs - z angl. phase change materials), často se přehlíží v počítačových modelech, což vede k rozdílům ve srovnání s experimentálními daty. PCH se stává zvláště problematickou při modelování systémů pro ukládání tepelné energie, kde často dochází k neúplné nebo částečné fázové přeměně. Laboratorní přístupy k charakterizaci PCM, jako je diferenciální skenovací kalorimetrie nebo metoda teplotní historie, umožnují studium pouze malých vzorků PCM a výsledná data se mohou ukázat jako nedostatečná pro predikci tepelné dynamiky větších objemů PCM. V této práci byly zkoumány a implementovány moderní přístupy k modelování PCH ve formě matematického modelu. Pro úplné fázové změny byl použit dvoukřivkový model s dobrou přesností, nicméně jeho základní varianta selhává v situacích, kde je proces přechodu fáze přerušen. Dále byly zkoumány modely curve-track, curve-switch a curve-scale pro částečné fázové změny. Mezi nimi se model curve-scale jeví jako nejpřesnější a v souladu se současným stavem poznání v této oblasti. Na druhou stranu model curve-track vykazuje nejmenší přesnost a je považován za nevhodný pro částečné fázové přeměny. Představený framework pro inverzní identifikaci, založený na řešení inverzních problémů přenosu tepla (IHTPs - z angl. inverse heat transfer problems), se ukázal jako velmi účinný při identifikaci různých vstupních parametrů. Primární důraz byl však kladen na identifikaci křivek efektivní tepelné kapacity a s nimi souvisejících parametrů. Tyto křivky byly parametrizovány pomocí asymetrické gaussovské funkce, která zahrnovala různé měrné tepelné kapacity pro pevnou a kapalnou část a každou křivku rozdělila do dvou gaussovských funkcí oddělených teplotou fázové změny, přičemž byla zavedena šikmost pro každý z těchto segmentů. Práce ukázala, že tato asymetrie vedla k lepší shodě s experimentálními daty. Bylo zjištěno, že metaheuristické optimalizační techniky jsou robustní a přesné při řešení IHTPs, přičemž metoda diferenciální evoluce a její varianty, zejména metoda založená na historii úspěchu adaptivní diferenciální evoluce s lineárním snižováním velikosti populace (LSHADE), prokázaly lepší přesnost ve srovnání s jinými metaheuristikami.
From the macroscopic point of view, phase change hysteresis (PCH) signifies that the trajectory of a phase change process (e.g., solidification) doesn't mirror the temperature-enthalpy pathway of its inverse process (melting). Despite being a prevalent phenomenon in most phase change materials (PCMs), it tends to be overlooked in computational models, leading to disparities when compared with experimental data. PCH becomes particularly problematic in the modelling of latent heat thermal energy storage systems, where incomplete or partial phase transitions are frequently encountered. Laboratory-scale techniques for PCM characterisation, such as differential scanning calorimetry or the temperature-history method, often employ only small PCM samples, and the resultant data may prove inadequate for predicting the thermal dynamics of larger PCM volumes. In this thesis, the state-of-the-art modelling approaches to PCH were investigated and implemented in the form of a mathematical model. The two-curve model (in its general implementation) was adopted with good accuracy for complete phase changes. However, its applicability falls short in scenarios where the phase transition process is interrupted. The curve-track, curve-switch, and curve-scale models were investigated for partial phase changes. Among these, the curve-scale model emerges as the most precise, aligning with the state-of-the-art analysis. On the other hand, the curve-track model exhibits the least accuracy and is deemed inadequate for partial phase transitions. The presented inverse identification framework, grounded in solving inverse heat transfer problems (IHTPs), proved effective in identifying a diverse array of input parameters. However, the primary emphasis lies in identifying the effective heat capacity curves and their associated parameters. These curves were parameterised using an asymmetrical Gaussian function, incorporating differing specific heat capacities for the solid and liquid segments and dividing each curve into two Gaussian functions separated by the phase change temperature, with skewness introduced for each segment. The thesis demonstrated that this asymmetry resulted in a closer alignment with experimental data. Meta-heuristic optimization techniques were found to be robust and precise in addressing IHTPs, with the differential evolution (DE) method and its variants, particularly the success-history based adaptive differential evolution with linear population size reduction (LSHADE), demonstrating superior performance compared to other meta-heuristics.
From the macroscopic point of view, phase change hysteresis (PCH) signifies that the trajectory of a phase change process (e.g., solidification) doesn't mirror the temperature-enthalpy pathway of its inverse process (melting). Despite being a prevalent phenomenon in most phase change materials (PCMs), it tends to be overlooked in computational models, leading to disparities when compared with experimental data. PCH becomes particularly problematic in the modelling of latent heat thermal energy storage systems, where incomplete or partial phase transitions are frequently encountered. Laboratory-scale techniques for PCM characterisation, such as differential scanning calorimetry or the temperature-history method, often employ only small PCM samples, and the resultant data may prove inadequate for predicting the thermal dynamics of larger PCM volumes. In this thesis, the state-of-the-art modelling approaches to PCH were investigated and implemented in the form of a mathematical model. The two-curve model (in its general implementation) was adopted with good accuracy for complete phase changes. However, its applicability falls short in scenarios where the phase transition process is interrupted. The curve-track, curve-switch, and curve-scale models were investigated for partial phase changes. Among these, the curve-scale model emerges as the most precise, aligning with the state-of-the-art analysis. On the other hand, the curve-track model exhibits the least accuracy and is deemed inadequate for partial phase transitions. The presented inverse identification framework, grounded in solving inverse heat transfer problems (IHTPs), proved effective in identifying a diverse array of input parameters. However, the primary emphasis lies in identifying the effective heat capacity curves and their associated parameters. These curves were parameterised using an asymmetrical Gaussian function, incorporating differing specific heat capacities for the solid and liquid segments and dividing each curve into two Gaussian functions separated by the phase change temperature, with skewness introduced for each segment. The thesis demonstrated that this asymmetry resulted in a closer alignment with experimental data. Meta-heuristic optimization techniques were found to be robust and precise in addressing IHTPs, with the differential evolution (DE) method and its variants, particularly the success-history based adaptive differential evolution with linear population size reduction (LSHADE), demonstrating superior performance compared to other meta-heuristics.
Description
Citation
ZÁLEŠÁK, M. Inverse identification of hysteresis behaviour of paraffin-based phase change materials [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Michal Masaryk, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (člen)
Ing. Vladimír Krejčí, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2024-12-09
Defence
Student prezentoval jasně výsledky svého výzkumu. Uspokojivě zodpověděl položené dotazy. Téma výzkumu představuje aktuální úkol zpracovaný na odpovídající úrovni. Práce představuje cenný výstup pro další výzkumné cíle.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení