Güneş enerjili hava kollektöründe gizli ve duyulur ısı enerjisi depolamanın deneysel incelenmesi
Experimental investigation of thermal energy storage with latent and sensible heat in solar air collector
Yazar: ARİF KAYAPUNAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MESUT ABUŞKA
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada güneş enerjili hava ısıtma kollektörünün (GEHIK), duyulur ve gizli ısı depolama yöntemleriyle, termal veriminin ve kullanılabilirliğinin artırılması amaçlanmıştır. Eşzamanlı karşılaştırma yapabilmek amacıyla konvansiyonel düz yutucu plakalı kollektör ve farklı malzemelere sahip iki ısı depolamalı kolektör olmak üzere üçer kolektörden oluşan iki ayrı deney düzeneği hazırlanmıştır. İlk deney düzeneği; düz yutucu plakalı, sadece faz değiştiren malzemeli (FDM) ve FDM+bal peteği kombinasyonu kullanılan kollektörlerden oluşturulmuştur. İkinci deney düzeneği ise; düz yutucu plakalı, kiraz çekirdeği ve öğütülmüş kiraz çekirdeği kullanılan kollektörlerden oluşturulmuştur. Her iki ısı depolama yöntemi ayrı ayrı test edilmiştir. FDM+bal peteği, FDM'lerin kronik sorunlarından biri olan düşük ısı iletim katsayısının artırmak amacıyla kombine edilmiştir. Tarımsal bir atık olan kiraz çekirdeği ise çekirdek ve toz formunda incelenmiştir. Deneyler, doğal konveksiyonda ve 0.008 ile 0.048 kg/s arası debilerde zorlanmış konveksiyon koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, gizli ısı depolamalı (FDM'li) kollektör ANSYS Fluent programıyla nümerik olarak modellenmiştir. FDM ile kiraz çekirdek tozunun beraber kullanımına ilişkin çeşitli karışım oranlarına sahip numuneler diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) testine tabi tutulmuştur.
FDM kullanılan deneylerde gün içi termal verim % 8.4 ile % 9.0, günlük termal verim ise % 2.6 ile % 22.3 arasında artırılmıştır. Alüminyum bal peteği kullanımıyla, FDM'nin şarj-deşarj süresi önemli derecede kısaltılmış aynı zamanda FDM sıcaklığında da 10C'ye varan artış sağlanmıştır. Gizli ısı depolamalı deneylerde gün batımından sonra giriş-çıkış sıcaklığının eşitlenmesi düz yutucu plakalı kollektör için yaklaşık 1 saat sürerken FDM'li kollektörler için 6-10 saat arasında değişmiştir. Ancak, sadece FDM ile FDM+bal peteğinin kullanıldığı kollektörlerin verimleri birbirine oldukça yakın çıkmıştır. Kiraz çekirdeği ve tozunun kullanıldığı kollektörlerde güniçi termal verim şarj periyodunda düşük debiye bağlı olarak % -4,7'ye varan azalma olurken yüksek debilerde ise % 10,6'ya varan artış gözlemlenmiştir. Duyulur ısı depolama kullanımı ile günlük termal verim % 2,8 ile % 18,7 arasında artırılmıştır. Duyulur ısı depolamalı kollektörlerin gün batımından sonra giriş-çıkış sıcaklığının eşitlenmesi düz yutucu plakalı kollektöre göre 5-6 saat daha uzun sürmüştür. Kiraz çekirdeğinin ve tozunun kullanıldığı kollektörlerin termal verimleri birbirine oldukça yakın çıkmıştır. DSC sonuçlarında kiraz çekirdek tozu ile FDM'in karışım oranlarına paralel sonuçlar verdiği ve birlikte rahatlıkla kullanılabileceği tespit edilmiştir. Dahası, nümerik modelleme sonuçları da deneysel verilerle paralellik arz etmiştir. 
Deneysel sonuçlar, tasarlanan GEHIK'larda gizli ısı depolama malzemesi olarak FDM ve FDM ile birlikte bal peteğinin kullanımı, duyulur ısı depolama malzemesi olarak ise kiraz çekirdeği ve tozunun kullanımı ile kollektör termal veriminin önemli ölçüde artırılabileceğini ve kolektörün gün batımından sonra da uzun bir süre kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to increase the thermal efficiency and usability of solar air collector (SAC) by sensible and latent heat storage methods. In order to be able to make simultaneous comparisons, two separate test setups consisting of three collectors, two heat storage collectors with different materials, were prepared with conventional flat absorber plate collector. The first experimental set-up consists of a collector with a flat plate absorber, only phase change material (PCM) and PCM+honeycomb combination. The second experimental set-up consists of a collector with flat absorber plate, cherry stone and milled cherry stone. Both heat storage methods were tested separately. PCM and honeycomb were combined in order to increase the low heat conduction coefficient, which is one of the chronic problems of PCMs. The cherry stone as an agricultural waste was examined in the form of core and powder. The experiments were carried out under natural and forced convection conditions at flow rates between 0.008 and 0.048 kg/s.  In addition, latent heat storage (with PCM) collector is modeled numerically with ANSYS Fluent. The samples with various mixing ratios for the combination of PCM and cherry stone powder were subjected to differential scanning calorimetry (DSC) test.
In the experiments using PCM, the day time thermal efficiency was increased by 8.4% to 9.0% and the daily thermal efficiency was increased by 2.6% to 22.3%. With the use of aluminum honeycomb, the charge-discharge time of the PCM is significantly shortened, while the PCM temperature has increased by up to 10°C. In the latent heat storage experiments, the equalization of the inlet-outlet temperature after sunset was approximately 1 hour for the collector with flat absorber plate and for 6-10 hours for the collectors with PCM. However, the efficiencies of the collectors using only PCM and PCM+honeycomb were very close to each other. In the collectors using the cherry stone and powder, the daytime thermal efficiency decreased up to -4.7% depending on the low flow rate during the charging period and up to 10.6% at high flow rates. With the use of sensible heat storage, the daily thermal efficiency was increased from 2.8% to 18.7%. The equalization of the inlet-outlet temperature of the sensible heat storage collectors lasted longer than 5-6 hours after the sunset compared to the collector with flat absorber plate. The thermal efficiencies of the cherry stone and powder collectors were very close to each other. In the results of differetial scanning calorimeter (DSC), it was determined that cherry stone powder and PCM gave results parallel to the mixture ratios and could be used easily. Moreover, the results of numerical modeling were parallel to the experimental data.
The experimental results showed that the use of PCM and PCM+honeycomb as concealed heat storage material in designed SACs and the use of cherry stone and powder as sensible heat storage material could significantly increase the collector thermal efficiency and could be used for a long time after sunset.