Development and optimization of porous structures for efficient thermal energy storage using Phase Change Materials (PCM) for refrigerated transport applications

The aim of this research work is to develop and investigate an innovative solution for the cold storage to be implemented in the refrigerated transportation sector. In particular, the first section offers a general overview of the different PCMs involved in cold latent thermal storages from sub-zero to higher temperatures, a short brief of the refrigerated transport sector to date, and a detailed analysis of PCM integration in refrigerated vehicles and portable boxes. From this introductive section, the main future challenges for the refrigerated transport sector and possible research paths to fill the existing gaps in the literature and facilitate the deployment of LTES in refrigerated transport systems can be identified. The second section involves the numerical and experimental results collected during the research period. In particular, the first part shows how the numerical model for the proposed innovative LTES system was developed and validated. Then, the results obtained when simulating a daily operation route by considering several different parameters are shown. Moreover, the final part investigates the possibility of integrating a refrigerating unit based on a low-GWP refrigerant (R290, propane), by underlining the potentialities and criticalities for a further employment. Finally, it can be concluded that a promising cost effective and environmentally friendly solution for the refrigerated transport sector can be effectively found. The numerical models developed and proposed in this work thesis can be further adopted to study and develop an integrated LTES system by optimizing the charging and discharging phases and evaluating the thermal and risk performances.

Lo scopo di questo lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo e l'indagine di una soluzione innovativa per l'accumulo di freddo da essere impiegata nel settore del trasporto refrigerato. In particolare, la prima sezione offre una panoramica generale dei vari materiali a cambiamento di fase (PCM) utilizzati negli accumuli latenti di freddo che vanno da temperature a negative a temperature maggiori, una breve rassegna del trasporto refrigerato ad oggi, e un'analisi dettagliata concernente l'integrazione di PCM in veicoli refrigerati e box portatili. Dalla sezione introduttiva, si deducono le principali sfide che attendo il settore del trasporto refrigerato e i possibili sviluppi della ricerca avente come fine il colmare i vuoti esistenti in letterature, facilitando al contempo la diffusione dei sistemi ad accumulo termici (LTES) nel settore del trasporto refrigerato. La seconda sezione si focalizza invece sui risultati numerici e sperimentali raccolti durante il periodo di ricerca. In particolare, la prima parte mostra come il modello numerico per l'innovativo LTES proposto sia stato sviluppato e opportunamente validato. In seguito, i risultati ottenuti riguardanti la simulazione di una tratta per una giornata tipo andando a variare diversi parametri. Inoltre, una parte finale dove si va ad investigare la possibilità di integrare un'unità refrigerativa che impiega un innovativo refrigerante quale il propano (R290), andandone ad evidenziare potenzialità e criticità di un suo sviluppo ed impiego futuro. In conclusione, da questa tesi si può dedurre che una soluzione vantaggiosa dal punto di vista economica e della salvaguardia dell'ambiente può essere opportunamente trovata. I modelli numerici sviluppati e proposti possono in un futuro essere adottati per lo sviluppo e lo studio di un sistema LTES integrato che vada ad ottimizzare le fasi di carica e scarica, tenendo conto al contempo delle performance termiche e di rischio.