Gizli ısı depolama sistemlerinde erime ve katılaşma proseslerinin farklı geometrilerde incelenmesi
Investigation of melting and solidification process in different geometry latent heat storage systems
Yazar: TUĞRUL MARAL
Danışman: PROF. DR. MESUT TEKKALMAZ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğal taşınım = Natural convection ; Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Isı iletimi = Heat conduction ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Termik santraller = Thermal power plants

Özet:
İspanya'da 2011'den ve Arizona'da 2013'ten beri kurulan güneş enerjisi santrallerinde eriyik tuzlu ısıl enerji depolama sistemleri vardır. Eriyik tuzda depolanan enerji, ısı eşanjörleri vasıtasıyla suya aktarılmakta ve buhar türbinlerinin ihtiyaç duyduğu buhar üretilmektedir. Bu sistem sayesinde santraller hava karardığında bile elektrik enerjisi üretebilmektedir. Isıl boşaltım denilen bu süreçte her faz değiştiren malzeme gibi eriyik tuz katılaşmakta böylece doğal taşınım yerine sadece ısı iletimi ön plana çıkmaktadır. Faz değiştiren malzemelerin (FDM) katılaşması üzerine yapılan deneysel çalışmalar gövde tek borulu gizli ısı depolama ünitesinde çoğunlukla parafin gibi erime noktası 80ºC'nin altındaki malzemeler üzerinde yoğunlaşmaktadır. 

Bu çalışmada, altı farklı üç boyutlu geometriye sahip gizli ısı termal enerji depolama sistemindeki (GITED) solar tuzun FDM olarak performansı, ANSYS FLUENT kullanılarak test edilmiştir. Birinci örnek, gövde tek borulu GITED'in (eş eksenli iki borulu) performansı için test edilmiştir. İkinci örnekte gövde iki borulu GITED'in performansı test edilmiştir. Üçüncü örnekte üçgen gövde üç borulu GITED eğimli yüzeylerin etkisini araştırmak amacıyla analiz edilmiştir. Dördüncü örnek olarak, ikizkenar yamuk(trapez) gövdenin altı borulu durumu performans bakımından test edilmiştir. Daha sonra, aynı sayıdaki boruya sahip trapez ters çevrilip test edilmiştir. Altıncı örnek olarak da solar tuzla dolu eşkenar altıgen gövdenin yedi boruludaki performansı test edilmiştir. Yedinci örnekte, parafinle dolu kanatçıklı iki boyutlu tripleks GITED'deki erime incelenmiştir. Son olarak ilk altı örnekteki üç boyutlu GITED'lere solar tuz yerine Hitec tuzu kullanılmış ve bu iki FDM arasındaki performans farkı çıkış suyu sıcaklığına ve FDM'nin sıvı-kütle kesrine göre incelenmiştir

Abstract:
Since 2011 in Spain and since 2013 in Arizona, solar thermal power plants have been established using molten salt thermal energy storage systems. The energy stored in the molten salt is transferred to water through heat exchangers and the steam required by the steam turbines is generated. By using these systems, the power plants can also generate electrical energy at night. During this process called thermal discharge molten salt solidifies and, as with any phase-changing material, only heat conduction comes into play instead of natural convection. Experimental studies on the solidification of phase change materials (PCM) usually focus on materials with a melting point below 80oC, such as paraffin, in a latent heat thermal energy storage with concentric tubes. 

In this study, the performance of solar salt as a PCM in a latent heat thermal energy storage system (LHTES) with six different three-dimensional geometries was tested using ANSYS FLUENT. In the first example, the performance of the shell one-tube LHTES (double pipe) was tested. In the second example, the performance of the shell and two-tube LHTES was tested. In the third example, the right triangular shell with three-tube LHTES was analyzed to investigate the effect of inclined surfaces. The fourth example is the trapezoidal shell with six tubes status tested in terms of performance. Then the trapezoidal shell with the same number of tubes was inverted and tested. In the sixth example, the performance of a hexagonal shell with seven tubes filled with solar salt was tested. In the seventh example, melting in a two-dimensional triplex with fins LHTES filled with paraffin PCM is investigated. Finally, Hitec salt was used instead of solar salt in the first six examples of three-dimensional LHTES and the performance between these two PCMs was investigated based on water outlet temperature and PCM's liquid-mass fraction.