Yasir Rashid

Date of Award

4-2018

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Dr. Ahmed Hassan

Abstract

High-energy consumption in buildings is a research issue of great importance today, with solid-liquid phase change materials (PCMs) proving an excellent candidate for passive means to reduce energy consumption. In the current research, a novel protective coating was developed from geopolymer to encapsulate a PCM to prevent leakage in the liquidous phase. The PCM was characterized using a customized temperature history method (THM) and standard differential scanning calorimetry (DSC). Two different porous materials, polyurethane foam and lightweight expanded clay aggregate (LECA), were selected to hold the PCM and act as a matrix in which to develop PCM capsules. Ingredients of the coating were characterized using X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Initially, liquid PCM was absorbed into foam and LECA by direct immersion and vacuum impregnation, respectively, until maximal absorption was achieved. A geopolymer coating was developed and applied to spherical foam and LECA matrices containing PCM at low temperatures to produce leak-proof PCM capsules, thus yielding geopolymer coated PCM capsules in matrix of foam (GP-F-PCM) and geopolymer coated PCM capsules in the matrix of LECA (GP-L-PCM). Efficacy of the produced capsules was tested by exposure to harsh outdoor conditions and application of rapid thermal cycles above and below the melting point of the PCM while leak proofing efficiency was examined using diffusion-ooze circle (DOC) test. Alkali-activated geopolymer concrete (GPC) cubes were developed to test thermal performance and compressive strength. Different compositions were developed for each matrix material (foam or LECA) and compared with a reference sample comprising a cube of GPC (i.e., six experimental samples in total, plus the reference). Samples of GPC were cast with 25%, 50% and 75% volume ratio replacement of their solid contents with either spheres of foam, LECA, or the same ratios of GP-F-PCM and GP-L-PCM capsules. Each composition was tested separately and heated until the achievement of steady-state temperature in a customized indoor set-up. Compression tests were performed after seven days and 28 days of curing. Thermal tests revealed that direct addition of foam into GPC increased the back-surface temperature. Increasing the amount of foam had increased the temperature and for the maximum case of 75% foam addition, this increment was 5.8ºC in comparison to the reference.

Addition of GP-F-PCM, LECA, and GP-L-PCM had a positive effect on the temperature drop on the back surface of the cubes. For the best case, a temperature drop of 12.5 °C was obtained at the back surface of cube with 75% GP-F-PCM, with respect to the reference. In comparing the capsules of LECA and foam as the matrix, GP-F-PCM produced more pronounced results because of higher PCM absorption in foam. Heat transmission effect was validated measuring U-values of all the sample cubes. It was observed that U-value for the reference cube was 2.04 W/m2K, which increased to 2.072 W/m2K for 75% foam. The U-value decreased to the levels of 1.092 W/m2K, 1.6 W/m2K and 0.9 W/m2K for 75% GP-F-PCM, 75% LECA and 75% GPL- PCM respectively. In terms of compression strength, the addition of foam had slightly positive effect (+6.3%) but the addition of GP-F-PCM, LECA, and GP-LPCM reduced strength significantly. Compression strength was 9.9 MPa, 10.1 MPa and 10.9 MPa for 75% GP-F-PCM, 75% LECA and 75% GP-L-PCM, which can be attributed to the fragile PCM and weak LECA structure. However, thermally responsive geopolymer concrete is promising and suitable for the construction of building facades, partitioning walls and roofing membranes.

Arabic Abstract

يعد الاستهلاك العالي للطاقة في المباني قضية بحثية ذات أهمية كبيرة اليوم، ويمثل استخدام المواد المتحولة حرارياً من الحالة الصلبة إلى السائلة (المواد المتحولة الحالة الفيزيائية-PCM) عنصراً مستتراً اختياراً ممتازاً للحد من استهلاك الطاقة. خلال هذا البحث العلمي المطروح، تم تطوير طبقة واقية جديدة من مادة (الجيوبوليمر) لتغليف المواد المتحولة الحالة الفيزيائية؛ لمنع التسرب خلال مرحلة السيولة لهذه المواد. وتم توصيف ميزات هذه المواد المتحولة الحالة الفيزيائية باستخدام الطريقة المخصصة لتسجيل تاريخ درجة الحرارة (THM) وجهاز القياس التفاضلي (DSC). وخلال هذه الدراسة، تم اختيار اثنين من المواد المسامية المختلفة: رغوة البولي يوريثان (polyurethane)، وخلاط الطين المسامية خفيفة الوزن (LECA)، لحمل وحفظ المواد المتحولة حرارياً، والعمل كنسيج مكون للكبسولات الحاملة للمواد المتحولة حرارياً. وتم توصيف مكونات هذا الطلاء باستخدام الأشعة السينية المضيئة (XRF)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). لتحضير العينات، أولاً: تم امتصاص المواد المتحولة الحالة الفيزيائية في حالتها السائلة من قبل الرغوة عن طريق عملية الغمر المباشر، ومن قبل خلاط الطين LECA عن طريق التلقيح اللاهوائي حتى بلوغ أقصى قدر من الامتصاص. ثانياً: تم عمل طلاء الجيوبوليمر وتطبيقه على الرغوة الكروية ونسائج خلاط الطين LECA المحتوية على المواد المتحولة الحالة الفيزيائية حرارياً في درجات حرارة منخفضة لإنتاج كبسولات حاملة لهذه المواد المتحولة الحالة الفيزيائية، مانعة للتسرب. وكنتيجة لذلك، تم إنتاج نوعين من هذه الكبسولات: كبسولات مواد متحولة الحالة الفيزيائية مطلية بالجيوبوليمر في نسيج من الرغوة (GP-F-PCM)، وكبسولات مواد متحولة الحالة الفيزيائية مطلية بالجيوبوليمر في نسيج من خلاط الطين المسامية خفيفة الوزن (GP-L-PCM). وللتأكد من جودتها، تم اختبار كفاءة الكبسولات المنتجة عن طريق التعرض لظروف جوية قاسية في الهواء الطلق وتطبيق دورات حرارية سريعة التغير فوق وتحت نقطة انصهار المواد المتحولة فيزيائياً، بينما تم فحص كفاءة تسرب الكبسولات المنتجة باستخدام اختبار دائرة الانتشار الموزع (DOC). خلال هذه الدراسة، تم إنتاج مكعبات خرسانية جيوبوليمرية (GPC) متفاعلة قلوية لاختبار الأداء الحراري لها، وقوة انضغاطها. وتم اختبار تركيبات مختلفة لكل نسيج من الرغوة أو خلاط الطين (LECA) ومقارنتها مع عينة مرجعية تضم مكعب من GPC (بإجمالي ستة عينات تجريبية، وعينة مرجعية). وتم صب عينات من GPC باستبدال إجمالي محتوياتها الصلبة بكرات الرغوة أو كبسولات GP-F-PCM أو GP-L-PCM بنسب تتراوح بين 25%، و50%، و75%. تم اختبار كل تركيبة مذكورة سلفاً على حدى، وتعريضها للحرارة حتى استقرارها عند درجة حرارة ثابتة. وتم إجراء اختبارات الضغط بعد سبعة أيام و28 يوماً من المعالجة. كشفت الاختبارات الحرارية أن إضافة الرغوة المباشرة إلى GPC زادت من درجة حرارة السطح الخلفي، فسجلت الحالة القصوى من إضافة الرغوة بنسبة 75% زيادة بمقدار 5.8 درجة مئوية بالمقارنة مع المرجع. وفي المقابل فإن المكعبات المحتوية على المواد GP-F-PCM و LECA و GP-L-PCM كان لها تأثير إيجابي واضح على انخفاض درجة حرارة السطح الخلفي للمكعبات، لتحقيق أعلى انخفاض يصل إلى 12.5 درجة مئوية في حالة إضافة 75% GP-F-PCM مقارنة بدرجات حرارة المرجع. وأسفرت النتائج البحثية عند مقارنة خلاط الطين والرغوة النسيجية، أن GP-F-PCM كان له تأثير أكثر وضوحاً بسبب ارتفاع امتصاص المواد المتحولة الحالة الفيزيائية في الرغوة. وتم التحقق من صحة تأثير نقل الحرارة، عن طريق قياس قيم U لجميع عينات المكعبات المختبرة. ولوحظ أن قيمة U للمكعب المرجعي كانت 2.04 (واط/م² كلفن)، وزادت إلى 2.072 (واط/م² كلفن) للرغوة بنسبة 75%، بينما انخفضت قيمة U إلى مستويات 1.092 (واط/م² كلفن)، و1.6 (واط/م² كلفن)، و0.9 (واط/م² كلفن) لـ 75% GP-F-PCM، و75% LECA، و75% GP-L-PCM على التوالي. ومن حيث النتائج المتعلقة بقوة الضغط، كانت إضافة الرغوة ذات تأثير إيجابي طفيف (+6.3%)، ولكن إضافة GP-F-PCM و GP-L-PCM و LECA قللت الفارق بشكل كبير لتحقق قوة انضغاط بمقدار 9.9 ميجا باسكال، و10.1 ميجا باسكال، و10.9 ميجا باسكال لـ 75% GP-F-PCM، و75% LECA، و75% GP-L-PCM على التوالي، والتي تعزى إلى وجود المواد المتحولة الحالة الفيزيائية الهشة وهيكل خلاط الطين المسامي الضعيف. نتائج واعدة ومناسبة لبناء واجهات المباني، وتقسيم الجدران وأغشية الأسقف.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: المواد المتحولة الحالة الفيزيائية، خلاط الطين المسامية خفيفة الوزن، رغوة البولي يوريثان، كفاءة الطاقة في المباني.

Download
COinS