Accurate Measurement of the Thermal Conductivity of Phase Changing Materials (PCM) in the Solid and Liquid Phase
Creators: name: Βελλιάδου, Δανάη Ι.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Θερμική Αγωγιμότητα
Πρότυπα Υλικά
Υλικά Αλλαγής Φάσης
Θερμαινόμενο Σύρμα σε Μη-Μόνιμη Κατάσταση
Thermal Conductivity
Reference Materials
Phase Changing Materials
Transient Hot-Wire

description: Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να προταθούν νέα, ευρέως διαθέσιμα σε υψηλή καθαρότητα και με σχετικά χαμηλό κόστος στερεά υλικά αναφοράς για τη θερμική αγωγιμότητα. Επιπρόσθετα, επιχειρήθηκε για πρώτη φορά η πραγματοποίηση μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας, πολύ χαμηλής αβεβαιότητας, με τη μέθοδο του Θερμαινόμενου Σύρματος σε μη Μόνιμη Κατάσταση (Transient Hot-Wire, THW), χωρίς την επίδραση της αντίστασης επαφής. Στο Κεφάλαιο 1 επισημαίνεται ότι πολύ λίγα στερεά έχουν μετρηθεί με πολύ χαμηλή αβεβαιότητα και σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Παράλληλα, οι υπάρχουσες μετρήσεις είναι συνήθως συνυφασμένες με αρκετά υψηλές αβεβαιότητες. Στη συνέχεια επιλέγεται η μέθοδος THW, καθότι είναι μια απόλυτη, παγιωμένη μέθοδος, που στηρίζεται σε μια πλήρως ανεπτυγμένη θεωρία. Στο επόμενο κεφάλαιο, η μέθοδος THW παρουσιάζεται λεπτομερώς, ενώ η συζήτηση επικεντρώνεται στους περιορισμούς και τις συνθήκες που πρέπει να πληρούνται, ώστε να είναι εξασφαλισμένη η εγκυρότητα της μεθόδου και η μεγάλη ακρίβεια στις μετρήσεις. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η βασική ιδέα της παρούσας έρευνας: να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της θερμικής αντίστασης επαφής, βυθίζοντας το θερμαινόμενο σύρμα απευθείας στο στερεό υλικό, όσο αυτό βρίσκεται σε τηγμένη κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, όταν το υλικό στερεοποιηθεί, η θερμική του αγωγιμότητα μπορεί να προσδιοριστεί απευθείας είτε από τη θεωρία είτε αριθμητικά, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method, FEM). Στη συνέχεια εξετάζεται μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της έρευνας αυτής, η οποία έγκειται στη δυσκολία να βρεθούν υλικά που μπορούν να εξυπηρετήσουν την προαναφερθείσα ιδέα, και ταυτόχρονα να ενδείκνυνται για να προταθούν ως υλικά αναφοράς. Έπειτα από σειρά αποτυχημένων πειραματικών δοκιμών με διάφορα υλικά τελικά επιλέχθηκαν τα εξής 6 PCM: 1-δεκαεξανόλη, 1-δεκαοκτανόλη, κ-εικοσιδιάνιο, κ-εικοσιτετράνιο, 1,6-εξανοδιόλη, 1,8-οκτανοδιόλη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, γίνεται μια εκτενής περιγραφή της νέας συσκευής και των νέων αισθητήρων που κατασκευάστηκαν για την πραγματοποίηση των μετρήσεων και στις δύο φάσεις, καθώς επίσης και της πειραματικής μεθοδολογίας για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Επίσης, η συζήτηση επεκτείνεται στην επικύρωση της μεθόδου, που πραγματοποιήθηκε με τη μέτρηση τολουολίου και επιπρόσθετα με την ανάλυση της πλήρους γεωμετρίας του σύρματος στο υλικό με τη χρήση FEM. Τέλος, η πραγματοποίηση πλήρους ανάλυσης αβεβαιότητας G.U.M. διασφαλίζει ότι, η συνολική αβεβαιότητα της μεθόδου είναι μικρότερη από 1%. Το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει τις νέες ακριβείς μετρήσεις της θερμικής αγωγιμότητας των 6 PCM σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών στην στερεή και την υγρή φάση. Η συνδυασμένη αβεβαιότητα των μετρήσεων σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95 % στη στερεή και την υγρή φάση είναι αντίστοιχα: 0.6 % και 0.2 % για την 1-δεκαεξανόλη, 0.5 % και 0.3 % για την 1-δεκαοκτανόλη, 0.4 % και 0.6 % για το κ-εικοσιδιάνιο, 0.6 % και 0.3 % για το κ-εικοσιτετράνιο, 0.7 % και 0.4 % για την 1,6-εξανοδιόλη, και 1.1 % και 0.5 % για την 1,8-οκτανοδιόλη. Επιπρόσθετα, για κάθε ένα από τα υλικά, πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των διαθέσιμων δεδομένων θερμικής αγωγιμότητας, και οι μετρήσεις άλλων ερευνητών συγκρίνονται με τις τιμές που προβλέπονται από την παρούσα εργασία. Η παρούσα διατριβή καταλήγει κλείνει προτείνοντας τα 6 υλικά PCM που μελετήθηκαν ως στερεά πρότυπα για τη θερμική αγωγιμότητα.
description: The aim of this dissertation was to propose new, easy to find in high purity and inexpensive thermal-conductivity reference solids. Moreover, it was attempted for the first time to perform very low-uncertainty thermal-conductivity measurements using the Transient Hot-Wire Technique, without the influence of contact resistance. In Chapter 1, it is argued that very few solids have been measured with low uncertainty and over a wide range of temperatures, while the measurements that do exist are usually associated with high uncertainties. Subsequently, the Transient Hot-Wire (THW) technique is selected, as it is a well-established absolute method, backed by a full theory. In the next chapter, the THW method is presented in detail, focusing on the constraints on its validity and the conditions that are necessary to ensure low uncertainty in the measurements. Chapter 3 presents the main idea behind this work, which was to avoid the issue of contact resistance in the measurement of the thermal conductivity of solids by immersing the hot wires directly into the sample, while the latter is at its melted state. In this way, the sample’s thermal conductivity can be attained directly either from theory or a numerical solution based on finite elements. Subsequently, the challenge of finding materials that are suitable for this idea, and simultaneously appropriate to be proposed as reference materials is discussed, and it is shown that after a series of unsuccessful trials with other compounds, 6 PCMs were finally selected: 1-hexadecanol, 1-octadecanol, n-docosane, n-tetracosane, 1,6-hexanediol, and 1,8-octanediol. The chapter continues with an analysis of the new instruments constructed for performing the measurements in both phases and the experimental methodology followed to attain the final thermal conductivity values. Subsequently, the discussion is extended to the validation of the technique, which was performed with measurements of toluene as well as a Finite Element Method (FEM) analysis to model the full geometry of the wire in the solid. Finally, performing a full G.U.M. analysis ensures that the overall uncertainty of the technique made up from both the experiment and the FEM is no more than 1%. In Chapter 4, the new low-uncertainty thermal-conductivity measurements of the selected PCMs covering a wide range of temperatures in both the solid and liquid phases are presented and discussed. At the 95 % confidence level, the combined uncertainty of the measurements in the solid and liquid phases are 0.6 % and 0.2 % for 1-hexadecanol, 0.5 % and 0.3 % for 1-octadecanol, 0.4 % and 0.6 % for n-docosane, 0.6 % and 0.3 % for n-tetracosane, 0.7 % and 0.4 % for 1,6-hexanediol, and 1.1 % and 0.5 % for 1,8-octanediol. Moreover, for each one of the PCMs a literature review of the available thermal-conductivity data is presented, and the measurements of other investigators are compared to the values predicted by the fitted equations of the present work. The present dissertation concludes with proposing the 6 PCMs as solid standards for the thermal conductivity.