Bir ısıl enerji depolama sisteminde dönme hızının ve kanat sayısının değişiminin ısıl performans üzerindeki etkilerinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the effects of change ofrotation speed and number of blades on thermal performance in a thermal energy storage system
Yazar: ERAY ZAĞLANMIŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TOLGA DEMİRCAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Erime = Melting ; Faz değişimi = Phase change ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Bu çalışmada enerji depolama sistemlerinde kullanılan faz değiştiren malzemelerin ısıl
performansı incelenmiştir. Bu malzemelerin şarj süreleri doğal konveksiyon
etkilerinden dolayı uzun süreçler almaktadır. Bu etkileri gözlemlemek ve ısı transfer
performansını artırmak amacıyla döner bir iç içe borulu ısı değiştiricisi deneysel olarak
incelenmiştir. Bu amaçla sadece iç borunun dönebileceği, sadece dış borunun
dönebileceği ve iç-dış boruların birlikte dönebileceği bir ısı değiştiricisi deney düzeneği
hazırlanmıştır. Bu deney düzeneğinde iç boru ile dış boru arasında kalan boşluğa faz
değiştiren malzeme doldurulmuştur. Isı transfer akışkanı taşıyan iç boru içerisinden su
geçirilmiştir. Suyun giriş debisi 3,5 L/dk ve giriş sıcaklığı 70ºC, 75ºC ve 80ºC olacak
şekilde sabit tutulmuştur. Isı değiştiricisinin sadece iç borusunun, sadece dış borusunun
ve iç-dış borularının döndürüldüğü durumlarda, dönme hızı 12,19, 25 rpm olacak
şekilde değiştirilmiş ve sabit ( dönmesiz) durum ile karşılaştırılmıştır. Daha sonrasında
iki borunun arasında kalan bölüme 2 ve 4 adet kanat yerleştirilerek, sadece dış borunun
12, 19 ve 25 rpm hızlar ile döndüğü deneyler yapılmıştır. Yapılan deneylerin sonucunda,
su giriş sıcaklığı artışının ısı transferini arttırdığı görülmüştür. Sadece dış borunun
döndürüldüğü modellerin ısıl performansının diğer modellere oranla daha yüksek
olduğu belirlenmiştir.
v
Dönme hızının artmasının ısı transferi performansını arttırdığı ve erime süresinde
azalışa sebep olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Kanatsız çalışmalar arasında en verimli
modelin 75ºC ve 25 rpm hız ile iç borunun sabit dış borunun ise döndürüldüğü D 2.3
modeli olduğu belirlenmiştir. D 2.3 modelinin termal iyileştirme oranı %100,7 olarak
tespit edilmiştir. Kanat eklenmiş çalışmalarda ise kanat sayısının ve dönme hızının artışı
ile erime süresinin kısaldığı ve ısı transfer performansının arttığı gözlemlenmiştir. Kanat
eklenmiş geometrilerde, dönme hızının arttırılmasının, kanat sayısının artırılmasına
oranla ısı transfer performansı üzerinde daha etkili olduğu belirlenmiştir. Kanatlı
çalışmalar arasında en verimli modelin, 4 kanatlı sadece dış borunun 25 rpm hız ile
döndüğü ve 75ºC giriş su sıcaklığına sahip H 2.3 modeli olduğu belirlenmiştir. H 2.3
modelinin termal iyileştirme oranı ise %148,6 olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
This study investigated the thermal performance of phase change materials used in energy storage systems. The charging times of these materials take long periods due to natural convection effects. A rotary tube heat exchanger has been experimentally investigated to observe these effects and increase the heat transfer performance. For this purpose, a heat exchanger experiment setup has been prepared in which only the inner tube can rotate, only the outer tube can rotate, and the inner-outer tubes can rotate together. In this experimental setup, phase change material is filled into the space between the inner and outer pipe. Water is passed through the inner tube carrying the heat transfer fluid. The inlet flow rate of the water was kept constant at 3.5 L/min, and the inlet temperature was at 70ºC, 75ºC, and 80ºC. In cases where only the inner tube, only the outer tube, and the inner-outer tubes of the heat exchanger are rotated, the rotational speed is changed to 12, 19, and 25 rpm and compared with the steady (non-rotating) condition. Then, 2 and 4 fins were placed in the section between the two pipes, and experiments were carried out where only the outer pipe rotated at 12, 19, and 25 rpm. The results of the experiments showed that the increase in the water inlet temperature increased the heat transfer. It was determined that the thermal performance of the models in which only the outer tube was rotated was higher than the other models.
ix
It was concluded that the increase in rotation speed increases the heat transfer performance and causes a decrease in the melting time. It has been determined that the most efficient model among the finless studies is the D 2.3 model, in which the inner tube is fixed, and the outer tube is rotated at 75ºC and 25 rpm. The thermal enhancement ratio of the D 2.3 model was determined as 100.7%. In studies with added fins, it was observed that the melting time was shortened, and the heat transfer performance increased with the increase in the number of fins and the rotation speed. It has been determined that increasing the rotational speed is more effective on the heat transfer performance than increasing the number of fins in the geometries with added fins. It has been determined that the most efficient model among the finned studies is the H 2.3 model with only the outer tube with 4 fins, which rotates at 25 rpm and has an inlet water temperature of 75ºC. The thermal enhancement ratio of the H 2.3 model was determined as 148.6%.