Bir enerji depolama sisteminin tasarimi ve çalişma parametrelerinin deneysel ve sayisal olarak incelenmesi
Design of thermal energy storage systems and experimental and numerical investigation of its working parameters
Yazar: MUHAMMET ÖZDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. AYTUNÇ EREK
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Termodinamik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deneysel analiz = Experimental analysis ; Ekserji = Exergy ; Faz değişimi = Phase change ; Sayısal analiz = Numerical analysis

Özet:
Ülkemizde ve Dünya'da yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımında yaşanan en büyük problemlerden birisi enerjinin sürdürülebilirliğidir. Rüzgâr ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen çevre dostu enerjinin sürdürülebilirliği konusunda enerji depolama sistemleri uygun bir çözüm yöntemi olarak birçok araştırmacı tarafından incelenmektedir. Enerji kaynağının bol olduğu dönemde kullanıma paralel olarak depolamanın yapılması ve daha sonra enerji kaynağının azalmasıyla birlikte depolanan enerjinin verimli bir şekilde geri kullanılması enerji devamlılığını büyük ölçüde gerçekleştirecektir. Enerji depolama, yenilenebilir enerji kaynaklarının sürdürülebilirliğinin yanı sıra, mevcut enerji sistemlerinin sürdürülebilir, verimli, ekonomik ve çevre dostu kullanımı açısında da önemlidir. İklimlendirme sistemleri açısından ele alınacak olursa, yaz aylarında gün içi yük yoğunluğu gece saatlerinde yapılacak soğu depolaması sayesinde azaltılabilir. Gece saatlerinde enerji maliyetinin gündüze göre ucuz ve dış ortam sıcaklığının düşük olması, soğutma sistemlerinde ekonomiklik ve verim artışı sağlayacaktır.Proje çalışmasında gizli ısı depolama sistemlerinin depolama ve geri kullanım dönemleri üzerine parametrik incelemeler yapılmıştır. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar Tek Borulu Gizli Isı Depolama Sistemi (Tek Borulu GIDS) ve Serpatinli Gizli Isı Depolama Sistemi (Serpantinli GIDS) olmak üzere iki kısma ayrılmıştır. Tek borulu GIDS'de, faz değişim prosesi görece küçük bir hacimde incelenerek serpantinli sistem için çalışma ve tasarım parametreleri belirlenmiştir. Üç farklı boru malzemesi, iki farklı kovan çapı ve ayrıca ikincil akışkanın değişen giriş sıcaklıkları ve debileri için parametrik deneyler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, sistem içerisindeki sıcaklık değişimi, buz oluşumu ve doğal taşınım etkileşimlerini inceleyebilmek için özel olarak geliştirilen ölçüm kartları kullanılmıştır. Geliştirilen buz ölçüm yönteminin sonuçları fotoğraf ve ısıl çift ölçümleri ile karşılaştırılarak doğruluğu ortaya konulmuştur. Bunun yanında, tek borulu GIDS'de literatürden farklı olarak deneysel sonuçlar üzerinden kontrol hacmi yaklaşımı uygulanmış ve sistem içerisindeki sıcaklık ve buz yarıçapı değişimlerinin etkileri depolanan (veya kullanılan) enerji hesaplamalarına dâhil edilmiştir.Tek borulu GIDS'de gerçekleştirilen deney sonuçlarından yola çıkılarak, belirlenen kapasiteye uygun bir serpantinli GIDS tasarımı gerçekleştirilmiştir. Serpantinli GIDS'de tank içi faz değişimin homojen olmasını sağlamak amacıyla spiral yapıda, kaydırılmış sıralı ve karşıt akışlı bir serpantin tasarımı oluşturulmuştur. Sistemde depolamanın yanı sıra içten ve dıştan erime deneyleri farklı debi, sıcaklık ve ısıl yükler altında gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Sustainability of energy is one of the most important problems for using renewable energy resource in our country and also in the World. Energy storage systems are investigated by many researchers as a solution for sustainability of renewable energy resources such as wind and solar. Charging the energy while the energy sources are widely available and then discharging the stored energy when the sources are limited will substantially provide sustainable energy usage. As well as for sustainability of renewable energy resources, energy storage is also important for using current energy systems sustainable, efficient, economical and environmental friendly. In concerning with the air conditioning systems, the load intensity of day time could be reduce with making cool storage at night time. In comparison with the day time, at night time, energy costs and condensation temperature of cooling systems are very low, so cooling systems can be operated more efficiently and economical.In this study, charging and discharging periods of latent energy storage systems are investigated parametrically. The experimental studies are divided into two group as; Shell-and-tube Latent Energy Storage System (Shell-and tube LESS) and Ice-on-coil Latent Energy Storage System (Shell-and tube LESS). At first, phase change process is investigated in a relatively small volume, as shell-and tube LESS, to designate the design and operating parameters of ice-on-coil LESS. Parametric experiments are performed for three different pipe materials, two different shell diameters and for various inlet temperatures and flow rates of heat transfer fluid. Besides, special measurement cards are used to investigate the temperature variations, ice formations and natural convection interactions inside the system. The validation of ice thickness measurement method is performed by comprising the results of present method with photographs and thermocouple measurements. Furthermore, in shell-and tube LESS, calculation of stored (or rejected) energy, unlikely from the literature, a control volume approach is applied with using temperature and ice radius variations.With the aid of the parametric results of shell-and tube LESS experiments, an ice-on-coil LESS is designed and constructed. Ice-on-coil LESS is designed as spiral form, counter flow and staggered arrangement to obtain a homogenous phase change process inside the tank. For ice-on-coil LESS, besides the charging experiments, internal and external melting experiments are also performed for several flow rates, inlet temperatures and heat loads.