Termal enerji depolama sistemlerinde kullanılan ve faz değişimi yapan kapsüllerde ısı transferinin incelenmesi
Investigation of heat transfer in the phase changing capsules used in thermal energy storage systems
Yazar: ZAFER GEMİCİ
Danışman: PROF. DR. A. NİLÜFER EĞRİCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buz = Ice ; Faz değişimi = Phase change ; Isı geçişi = Heat transfer ; Sonlu hacimler yöntemi = Finite volumes method

Özet:
Hızla gelişen ve nüfusu artan dünyamızda enerji ve su kaynaklarımız giderek azalmakta ve bu kaynaklara erişim her geçen gün daha pahalı ve zahmetli olmaktadır. Enerjinin önemli bir kısmı ise soğutma amacıyla tüketilmektedir. 2000 yılında OECD ülkelerinde tüketilen elektirik enerjisinin %6,4'ü soğutmada tüketilmiştir.Yapılan bu çalışmada soğutma sistemlerinde tüketilen enerjinin azaltılmasını sağlayacak bir yöntem önerilmektedir. Önerilen yöntemde hem soğutma hem de su ihtiyacı karşılanabilmektedir.Termal enerji depolama sistemlerinde su faz değişim malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Su, gizli ısısının yüksek olması, sabit sıcaklıkta faz değiştirmesi, yaygın olarak bulunması, çevreye zararsız ve kimyasal olarak stabil olması vb. özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir. Bu sistemlerde su genellikle kapsül içerisine yerleştirilmektedir. Enerjinin ekonomik olduğu zamanlarda kapsül içerisindeki su dondurulmakta ve enerjinin pahallı ve soğutma yükünün fazla olduğu durumlarda buradaki soğudan yararlanılmaktadır. Bu şekilde sistem maksimum yüke göre tasarlanmayacağı için daha düşük ilk yatırım maliyetleri sözkonusu olmaktadır.Bir diğer yaklaşım da mevcut kar veya buzun soğutma sistemlerinde kullanılmasıdır. Bu durumda depolama ve taşıma problemlerinin çözülmesi gerekmektedir. Literatürde küresel veya silindirik kapsüllerde yer alan suyun katılaşması veya erimesine ait oldukça fazla çalışma mevcuttur. Bu çalışmalar tez kapsamı içerisinde özetlenmiştir. Kardan buz kürelerinin oluşturulması ve taşınmasına yönelik çalışma ise yoktur.Dağlarda bulunan karlar yaz aylarında soğutma amacı ile kullanılabilir. Günümüzde kar uzak mesafelere kar+su karışımı (salamura) olarak transfer edilmektedir. Bu çalışmada ise karların küresel buz topları haline getirilerek, buz topu halinde izole plastik borularla kullanım yerine taşınabiliceği önerilmektedir. Bu şekilde hem soğu enerjisi kullanılabilecek hem de getirilen buzların erimesiyle elde edilen su kullanılabilecektir.Burada yapılan çalışmada karın soğusundan yararlanılmak istenmektedir. Ancak karın yoğunluğunun düşük olması ve düşük gerilmeler altında çok hızlı bir şekilde deforme olması, küresel kapsüller kullanılmadan borularla taşınmasını ve depolanmasını imkansız hale getirmektedir. Bu olumsuzluğu gidermek için sıkıştırma ve su verme ile karın buzlaştırılması deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir.1. Bölümde, ilk olarak tez kapsamını oluşturan problem tanımlanmıştır. Daha sonra, özellikle Türkiye'de, depolama sistemleri, kar ve buz özelikleri ve bunların modellenmesi ile ilgili yeterli çalışma olmadığı için geniş bir literatür bilgisi verilmiştir. Termal enerji depolama sistemleri, karın ve buzun termofiziksel ve yapısal özelikleri, kar içerisinde enerji ve kütle geçişi ve tek boyutlu hal için saf malzemelerde erime ve donma problemlerinin matematiksel olarak çözümü bu bölümde kapsamlı olarak ele alınmıştır.2. Bölümde ise bugüne kadar yapılan çalışmalar irdelenmiştir. Literatür taraması kar ve buzun özelikleri, erime ve katılaşma ve termal enerji depolama sistemleri başlıkları altında toplanmıştır.Kar kürelerinin oluşturulması ve bu kürelerin 0 oC'ye getirilerek su emdirilip soğutulması işlemlerini içeren deneysel çalışmalar, bu deneysel çalışmaların birbirleriyle karşılaştırmaları 3. Bölümde verilmiştir. Deneysel çalışmalar eksenel simetri nedeniyle yarım küre üzerinde yapılmıştır. Bu bölümde, kurulan deney tesisatı, kullanılan deney ekipmanı ve yapılan ölçümler detaylı olarak anlatılmıştır. Ayrıca karşılaştırma deneyleri ve elde edilen deney sonuçları da bu bölümde verilmiştir. Yine bu bölümde deneysel veriler kullanılarak hava tarafı ısı taşınım katsayısnın belirlenmesi ve ışınım etkisi anlatılmıştır.4. bölümde sayısal çalışmalar ve sayısal sonuçlarla deneysel sonuçların karşılaştırılması ele alınmıştır. Bölümün ilk kısmında kullanılan sayısal teknikler kapsamlı olarak verilmiştir. Daha sonra yöneten denklemler ve boyutsuzlaştırma anlatılmıştır. Model eksenel simetrik olarak iki boyutlu olarak oluşturulmuştur. Kar kürelerin içermiş oldukları su miktarları gözeneklilikleri ile ifade edilmiştir. Gözeneklilik tüm kar kürede eşit olarak kabul edilmiştir. İçerilen su miktarı sayısal modelde suyun faz değişim ısısının gözeneklilik katsayısı ile çarpılarak dikkate alınmıştır. Tüm sayısal çalışmalar Fluent ile yapılmıştır. Faz değişimi Fluent'in erime ve donma modülü kullanılarak modellenmiştir. Oluşturulan çözüm ağının yeteri kadar hassas olup olmadığı literatürde verilen problemler aynı model üzerinde çözülerek tespit edilmiştir. Daha sonra mevcut problem çözümü yapılmıştır. Bu bölümde aynı deney numunesi üzerinde çok fazla sayıda sayısal analizler yapılmış ve sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.5. Bölümde ise sonuçlar verilmiştir. Deneysel verilerle doğrulanan sayısal model kullanılarak farklı çap ve koşullar için yüzün üzerinde analiz yapılarak çok genel bir ampirik formülasyon çıkarılmıştır. Yine bu bölümde ileride yapılabilecek çalışmalar önerilmiştir.

Abstract:
In our developing and populating earth, energy and water resources gradually decline and accessing to these resources becomes more and more expensive and harder. An important percentage of the energy used is consumed for the purpose of refrigeration. In the year 2000, 6.4% of the electric energy consumed in OECD countries is used for refrigeration.In this study, a method for decreasing the amount of energy consumed in refrigeration systems is suggested. In the suggested method, both refrigeration and water requirements could be met.In the thermal energy storage systems, water is extensively used as a phase change material. Water is preferred due to its high latent heat, its phase change at fixed temperature, its availability, and its environmentally harmless and chemically stable nature. In these systems, water is generally allocated within capsules. When energy is economic, water in the capsule will be frozen and when energy is expensive and refrigeration load is so much, the coldness within there will be utilized. So that lower investment costs arise because the system are not designed for maximum load.Another approach is the usage of existing ice and snow in the refrigeration systems. In this case, the problems of storage and conveyance should be solved. In the literature, there are so much studies available relating to the solidifying and melting of the water in spherical or cylindrical capsules. These studies are summarized under the scope of this thesis. There is no study relating with forming ice spheres from snow.Snow available in the mountains can be used for the refrigeration purposes during the summer time. Currently, snow is conveyed to long distances as slurry (snow water mixture). In this study, it is suggested that snow can be conveyed to the usage area in the form of ice balls via isolated plastic pipes, after converting them to spherical ice balls. In this way, both cold energy and the water from molten ices can be used.In this study, it is required to be utilized from the coldness of the snow. However, it is impossible to convey it in the pipes and to store it without using spherical capsules due to its low density and very fast deformation under low stresses. In order to overcome this problem, icing of the snow by compression and water feeding is investigated experimentally and numerically.In the first chapter, the problem constituting the scope of thesis has been defined and a broad literature study has been supplied because there are no satisfactory studies, especially in Turkey, on specifications of snow and ice and modeling them. Thermal energy storage systems, thermophysical and structural specifications of snow and ice, energy and mass transfer in snow and the mathematical solution for the problem of melting and freezing in pure materials for one dimensional phase are comprehensively investigated in this chapter.In the second chapter, studies performed up to now have been investigated. Literature study has been classified under the sections of specifications of snow and ice, melting and solidification and thermal energy storage systems.In the third chapter, the experimental studies including the formation of ice spheres and the cooling of these spheres by saturating them with water at 0 oC, and the comparison of these studies have been supplied. The experimental studies are performed on half-sphere due to axial symmetry. In this chapter, experimental setup installed, testing equipment used and the measurements made have been given in detail. In addition to this, comparison tests and test results obtained have been supplied in this chapter. Also in this chapter, determination of air-side heat transfer coefficient and radiation effect has been expressed by using experimental data.In the fourth chapter, numerical studies and the comparison of numerical results with experimental results have been investigated. At the first section of the chapter, the numerical methods used have been expressed in detail. Then, governing equations and nondimensionalization have been expressed. Model has been developed in axially symmetric two dimensions. The water content of the snow spheres has been defined with their porosities. The porosity is assumed homogeneous over whole snow sphere. The water content has been considered in numerical model as the multiplication of porosity coefficient with the phase change latent heat of water. All numerical studies have been performed on Fluent. Phase change has been modeled by using the melting and freezing modules of Fluent. The precision of the solution network formed has been determined by solving the problems given in the literature on the same model. Then available problem is solved. In this chapter, lots of numerical analyses have been performed on the same test sample and the results have been compared with the experimental data.In the fifth chapter, conclusions have been given. A very comprehensive empirical formula has been determined after performing more than one hundred analyses for different diameters and conditions by using a numerical model verified by experimental data. Additionally in this chapter, some studies, that might be performed in future, have been proposed.