Faz değiştiren malzemelerde ısı geçişinin deneysel ve sayısal incelenmesi, sistemin enerji verimine etkisinin belirlenmesi
Experimental and numerical investigation of heat transfer in phase change materials, determination of the effect on system energy efficiency
Yazar: MURAT KADAL
Danışman: PROF. DR. HASAN ALPAY HEPERKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deneysel analiz = Experimental analysis ; Isıl işlem = Heat treatment ; Parafin = Paraffin ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Sıcaklık ölçme = Temperature measurement ; Yalıtım = Insulation

Özet:
Bir faz değiştiren malzemenin bir ısıl sistemde yalıtım amaçlı olarak kullanılmasının bu sistemin ısıl verimi üzerindeki etkisi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. 
Faz değiştiren malzemenin yalıtım etkisini göstermesini sağlayan katılaşma çekintisini gözlemleyebilmek amacıyla ön testler yapılmıştır. Ortam sıcaklığı 19.5 °C iken ön ısıtmalı ve ön ısıtmasız ve ortam sıcaklığı 0 °C iken ön ısıtmasız katılaşma olmak üzere üç farklı durum için parafinin katılaşması incelenmiştir. Her üç durumda da parafinin tekrarlı ergime ve katılaşma sonucunda çekinti nedeniyle gözenekli bir yapı hâline geldiği görülmüştür. 
Deneyler, su sıcaklığındaki değişim açısından üç ayrı bölge olduğunu göstermiştir: Düşük sıcaklıklı sabit evre (Bölge - I), ısınma evresi (Bölge - II) ve yüksek sıcaklıklı sabit evre (Bölge - III). Yalıtım malzemesi olarak parafin kullanıldığı durumda, hava yalıtımlı duruma göre ısıl verimde yaklaşık %17.4' lük bir artış olduğu görülmüştür. Bir faz değiştiren malzemenin ısıl iletkenliğinin nispeten daha büyük olmasına rağmen bir sistemin verimini önemli ölçüde artırabileceği gösterilmiştir. 
Deneysel çalışmaların ikinci kısmında prizmatik bir geometriye sahip özgün bir deney düzeneği kullanılarak gerçekleştirilen çalışmalara yer verilmiştir. 6 saatlik deney sonunda faz değiştiren malzeme yalıtımlı durumda suyun sıcaklığı, hava yalıtımlı durumdakine göre 3.2 °C daha yüksek ölçülmüştür. Faz değiştiren malzeme yalıtımlı durumda havanın faz değiştiren malzeme içerisinde oluşan gözeneklerde hapsolması ile ısınan havanın kaçışı önlenmiş ve havanın sürekli ısıtılması durumu ortadan kaldırılmıştır. Böylece hem ısıl verim artırılmış hem de cihaz ve kullanıcı güvenliği açısından uygun bir sistem tasarlanmıştır.
Son bölümde faz değiştirme olayının zamana bağlı ısı transferi üzerindeki etkisini incelemek amacıyla sayısal çözümler yapılmıştır. Silindirik bir hazne içerisinde bulunan suyun zamana bağlı katılaşma eğrisi, aynı özelliklere sahip ergiyen ve ergimeyen yalıtım malzemesi için elde edilmiştir. Faz değiştiren malzemenin gözenekli bir yapıya sahip olduğu ve olmadığı durumlarda katılaşma olayının yalıtım üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Sayısal çözümde uygulanan sınır şartlarının deneysel çalışma koşullarıyla birebir aynı olması durumunda uyumlu bir sonuç elde edilebileceği söylenebilir.

Abstract:
The effect of using a phase change material for insulation purposes in a thermal system on the thermal efficiency of this system has been investigated experimentally and numerically.
Preliminary tests have been carried out in order to observe the solidification shrinkage, which enables the phase change material to show the insulation effect. The solidification of paraffin has been investigated for three different conditions: with and without preheating at an ambient temperature of 19.5 °C, and solidification without preheating at an ambient temperature of 0 °C. In all three cases, it was observed that paraffin has become a porous structure due to shrinkage as a result of repeated melting and solidification.
Experiments have shown that there are three distinct zones in terms of variation in water temperature: Constant - low temperature zone (Zone - I), heating zone (Zone - II) and constant - high temperature zone (Zone - III). In the case of using paraffin as the insulation material, it has been observed that there is an increase of approximately 17.4% in the thermal efficiency compared to the air insulated case. It has been shown that although the thermal conductivity of a phase change material is relatively greater, it can significantly increase the efficiency of a system.
In the second part of the experimental studies, studies have been carried out using a unique experimental setup with a prismatic geometry are included. At the end of the 6 hour test, the temperature of the water in the insulated state of the phase change material was 3.2 °C higher than in the air insulated state. When the phase change material is insulated, the air is trapped in the pores formed in the phase change material, preventing the escape of the heated air and the continuous heating of the air is eliminated. Thus, both the thermal efficiency has been increased and a suitable system has been designed in terms of device and user safety.
In the last part, numerical solutions are made to examine the effect of phase change phenomenon on time dependent heat transfer. The time dependent solidification curve of the water in a cylindrical chamber was obtained for the melting and non melting insulation materials with the same properties. In cases where the phase change material has a porous structure or not, the effect of solidification on insulation has also investigated. It can be said that a compatible result can be obtained if the boundary conditions applied in the numerical solution are exactly the same as the experimental operating conditions.