Enerji depolama tankında katılaşma ve erime esnasında doğal konveksiyon ile ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural convection heat transfer with solidification and melting in an energy storage tank
Yazar: GÖKHAN GÜNHAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AHMET FERTELLİ
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Doğal konveksiyon =  ; Enerji depolama = Energy storage ; Faz değişimi = Phase change ; Soğuk depolama = Cold storage

Özet:
Birçok Avrupa ülkesinde ve Amerika'da elektrik tarifeleri günün saatlerine göre değişkenlik göstermektedir. Soğutma yükünün maksimum olduğu gündüz saatlerinde elektrik pahalı, soğutma ihtiyacının duyulmadığı gece saatlerinde ise daha ucuzdur. Bu durum soğu enerjisinin, gece saatlerinde depo edilip gündüz saatlerinde ise soğutma ihtiyacını karşılamak için kullanılması fikrini ortaya çıkarmıştır. Bu çalışmada, içerisinde su bulunan dikdörtgensel ve bir soğu depolama tankına yerleştirilen silindirlerinin pozisyon etkileri ve sayıları, farklı geometrilerin, buz oluşumuna etkileri ve silindirik tankta soğutucu çapının buz oluşumuna etkilerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Bunlarla beraber tamamen buz dolu dikdörtgensel bir soğu depolama tankında erime modellenmiştir. Ayrıca tank içeresindeki faz değişim malzemesi olan suyun, başlangıçta farklı sıcaklıklarda olmasının da katılaşmaya olan etkileri incelenmek istenmiştir. Bu amaçla FLUENT paket programı kullanılarak; akış alanının zamana bağlı sayısal çözümü yapılmıştır. Dikdörtgensel tank iki boyutlu olarak modellenmiş ve analizler, akış alanı simetrik olduğundan, tankın yarısı için yapılmıştır. Tank içerisindeki su sıcaklığı 0 °C, 4 °C, 8 °C ve 12 °C olarak alınıp, silindir yüzey sıcaklığı -10 °C kabul edilerek, farklı geometrilerdeki silindir modelleri için,  Ab/As oranı (Buz alanı / kesit alanı), sıcaklık dağılımı ve sıvı oranları hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlarda, tüm modellemeler için 900 s, 1800 s, 3600 s ve 7200 s deki sıcaklık ve sıvı oranlarının dağılımları incelenmiştir. Ayrıca farklı silindir düzenlemelerinin katılaşma oranlarının (Ab/As) zamanla değişimi de değerlendirilmiştir. Silindirlerin tankın üst bölgelerine yerleştirilmesi durumunda daha fazla buz oluştuğu gözlenmiştir. Daha dairesel olan silindir, elips ve altıgen modellerinde katılaşma oranlarının birbirine oldukça yakın olduğu görülmüş, üçgensel ve kare gibi keskin köşeli modellerde ise daha az buz oluşumu gözlenmiştir. Dairesel tankta ise soğutucu çapının ısı transferini arttırdığı, katılaşma oranlarında ise ters orantılı olduğu görülmüştür. Bununla beraber düzenlemelerin her birinde; su sıcaklığının 0 °C olması durumunda, katılaşma oranlarının daha büyük olduğu tespit edilmiştir. Erime için yapılan çalışmalarda tek ve iki silindirde silindir yüzey sıcaklığı 4 °C, 7 °C, 15 °C ve 20 °C için çözümlemeler yapılmıştır. Silindir sıcaklığının artmasıyla erime şeklinin yön değiştirdiği ve doğal konveksiyon hareketlerinin şiddetlendiği gözlenmiştir.

Abstract:
In many European Countries and America, electricity tariff are variable for the time of the day. Electric energy costs are expensive when cooling loads are peak in daytime and cheaper in the night. As a result, the idea of storing cold thermal energy at night and extracted for cooling in daytime is invented. In the present study, it is aimed to calculate the effect of ice formation on different cylinder positions and tube bundle, diffferent cooler geometries placed in a rectangular cavity filled with water. Also cylindirical cavity was used and obtained the effects of different cooler diameters. In addition of them, melting process in a rectangular cavity filled with ice was observed.  Finite volume method (FLUENT packed program) was used to solve solidification stages around cylinders. The cavity modelled in two dimension and modelled fort he half of the cavity due to symmetrical flow area. Water temperature in the cavity and cylinder surface temperature were assumed as 0 ºC, 4 ºC, 8 ºC,     12 ºC and -10 ºC respectively. Validation studies of the present model shows that variations of area ratio (Ab /As) in entire time range for solidification around a single cylinder. The resuls of temperature contours and liquid fractions are observed for all the models at the 900th, 1800th, 3600th and 7200th seconds. For the solidification rate obtained for all models, in case the cylinders are positioned on the upper parts of the cavity, the highest solidification rates are observed and, cylindrical, elliptical and hexagonal, the model for the highest solidification rate is obtained in the case of cylindrical. It was found that when the cylinders are triangular and square models, the solidification is affected negatively and more formation of ice is seen for circular models. In the cylindirical tank, higher cooling diameters improved the heat transfer rate in the cavity but solidification rates are decrased. In the all solidification models, when the initial water temperature is 0 ºC solidification rates are being higher than the other temperatures. For the melting process, the effects of different cylinder surface temperatures as 4 °C, 7 °C, 15 °C and 20 °C were obtained for single and two cylinders. Maximum melting rates are observed in 20 °C and natural convection effects are seem tense in higher cylinder surface temperatures.