Bir disk içerisinde bulunan faz değiştiren maddenin çarpan jet ile eritme prosesinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of the melting process of phase change material in a disc by impinging jet
Yazar: BURAK KIYAK
Danışman: PROF. DR. İSHAK GÖKHAN AKSOY ; PROF. DR. HAKAN FEHMİ ÖZTOP
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Faz değiştiren malzemeler (FDM), sabit bir sıcaklıkta ve düşük hacimsel değişimde yüksek enerji depolama yoğunluğuna sahiptirler. Enerji depolama ve geri kazanım süreçlerindeki verimliliği artırmak için, FDM'lerin ısıl iletkenliğinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Geleneksel yöntemlerin yanı sıra, yenilikçi teknolojiler ve gelişmiş malzemeler, FDM'lerin termal iletkenliği konusundaki kısıtlamaları aşmak için kullanılmaktadır.
Bu çalışmada FDM eritme işlemi, geleneksel yöntemlerden farklı olarak etkili ısı transferi sağlayan çarpan sıcak hava jeti (ÇSHJ) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde, homojen ısı dağılımını sağlamak için konteyner dairesel bir geometride tasarlanmıştır. FDM'nin erime ve enerji depolama performansı Reynolds sayısı, konteyner açısı, sıcak hava jetinin konteyner yüzeyine çarpma açısı ve jet ile konteyner arasındaki mesafenin konteyner çapına oranı olan H/D oranı olmak üzere dört ana parametreye göre sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Bu parametreler için iki farklı Reynolds sayısı (Re = 2235 ve 4470), üç farklı konteyner açısı (θ = 0°, 90° ve 180°), üç farklı jet açısı (Ф = 45°, 90° ve 135°) ve üç farklı H/D oranı (H/D = 0.4, 0.5 ve 0.6) değerlendirilmiştir. Sayısal analizler, "Ansys Fluent" ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve deneysel çalışmaya en uyumlu sonuçları veren SST k-ω türbülans modeli tercih edilmiştir.  Sayısal ve deneysel çalışmalardan elde edilen bulgular doğrultusunda her bir parametrenin etkisi detaylı bir şekilde sunulmuş ve incelenen parametreler arasında optimum sonuç veren durumlar belirlenmiştir.

Abstract:
Phase change materials (PCMs) exhibit high energy storage density at a constant temperature and low volume change. To enhance efficiency in energy storage and recovery processes, it is crucial to improve the thermal conductivity of PCMs. In addition to conventional methods, innovative technologies and advanced materials are being explored to overcome the limitations on the thermal conductivity of PCMs.
In this study, the PCM melting process was conducted using an impinging hot air jet, known for its efficient heat transfer compared to conventional methods. The container was designed in a circular geometry to ensure homogeneous heat distribution. The melting and energy storage performance of the PCM was investigated both experimentally and numerically, considering four main parameters: Reynolds number, container angle, the angle of impact of the hot air jet on the container surface and the H/D ratio (the ratio of the distance between the jet and the container to the container diameter). Two different Reynolds numbers (Re = 2235 and 4470), three container angles (θ = 0°, 90°, and 180°), three jet angles (Ф = 45°, 90°, and 135°), and three H/D ratios (H/D = 0.4, 0.5, and 0.6) were evaluated. Numerical analyses were conducted using the commercial software "Ansys Fluent," and the SST k-ω turbulence model, which yielded the most consistent results in line with the experimental study, was preferred. In accordance with the findings obtained from numerical and experimental studies, the effect of each parameter is presented in detail and the optimum results among the parameters analysed are determined.