Makro kapsüllenmiş bir tarafından ısıtılan dirençlerde erime katılaşma davranışının sayısal incelenmesi
Numerical investigation of melt solidification behaviour in resistors heated by a macro-encapsulated one side
Yazar: SİBEL DENİZ
Danışman: PROF. DR. İRFAN KURTBAŞ
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Isı depolama = Heat storage

Özet:
Faz değişimli ısı transferi, mühendislik uygulamalarında giderek artan eğilimde yer bulmaktadır. Güneş enerjisi sistemleri, bu uygulamalardan birisidir. Günün zamanı içerisinde gün ışığının kesikli olması özellikle ısıl enerjinin depolanması hususunda alternatif yöntemlerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu çalışmada, makro FDM kapsüllenmiş farklı geometrilerin kanal içerisindeki zorlanmış taşınım ısı transferine ve ısı depolama performansına etkisi incelenmiştir. Çalışma kapsamında kanal açısı, akışkan giriş sıcaklığı, Reynold sayısı, yüzey ısı akısı ile birlikte makro FDM kapsüllenmiş dirençler, sayısal olarak analiz edilmiştir. Isıl depolamalı dirençlerin uzunluk oranı, görüş oranı olarak belirlenmiş, görüş oranına bağlı olarak T şeklinde (AR=0.34, AR=0.67) ve dikdörtgen şeklinde (AR=1) olarak tasarlanmıştır. Reynold sayısının 4.000 ile 15.000 aralığında, türbülanslı akış rejiminde inceleme gerçekleştirilmiştir. Ayrıca hava giriş sıcaklığı 12°C ile 20°C aralığında, yüzey ısı akısı ise 500 W/m² ile 1200 W/m² arasında değiştirilmiştir. Direnç açısı ise 30°,60° ve 90° olacak şekilde gözönüne alınmıştır. Isı depolama malzemesi olarak kalsiyumklorürhekzahidrat (CaCl₂6H₂O) kullanılmıştır. Sayısal modelleme deneysel çalışmalardan elde edilen verilere göre doğrulanmıştır. Sayısal modelleme sonuçlarına göre, kanal ısı transferinin yüzey ısı akısı, kanal açısı, Reynold sayısı ve hava giriş sıcaklığı ile doğru orantılı, makro FDM kapsüllenmiş direnç görüş oranı ile ters orantılı olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen bulguların nitelik ve özgünlük açısından literatüre önemli katkı sağlayacağı değerlendirilmektedir. Elde edilen verilere göre kanal ısı transferinin artması depolanan ısı miktarının azalmasıyla sonuçlanmaktadır. Ayrıca direnç yüzey alanının artması, erime-katılaşma hızını önemli oranda etkilemekte özellikle katılaşmayı büyük oranda hızlandırmaktadır.

Abstract:
Phase change heat transfer is finding its place in an increasing trend in engineering applications. Solar energy systems are one of these applications. The intermittent daylight during the time of the day necessitates the development of alternative methods, especially for the storage of thermal energy. In this study, the effect of different macro FDM encapsulated geometries on forced convection heat transfer and heat storage performance in the channel is investigated. Within the scope of the study, channel angle, fluid inlet temperature, Reynolds number, surface heat flux and macro FDM encapsulated resistors are analysed numerically. The length ratio of the heat storage resistors was determined as the aspect ratio and designed as T-shaped (AR=0.34) and rectangular (AR=1) depending on the aspect ratio. The investigation was carried out in turbulent flow regime in the range of Reynolds number between 4,000 and 15,000. In addition, the air inlet temperature was varied between 12°C and 20°C and the surface heat flux was varied between 500 W/m² and 1200 W/m². The resistance angle was considered to be 30°, 60° and 90°. Calcium chloride hexahydrate (CaCl₂6H₂O) was used as heat storage material. The numerical modelling was verified according to the data obtained from experimental studies. According to the numerical modelling results, it was found that the duct heat transfer is directly proportional to the surface heat flux, duct angle, Reynolds number and air inlet temperature, and inversely proportional to the macro FDM encapsulated resistance aspect ratio. It is evaluated that the findings obtained will make a significant contribution to the literature in terms of quality and originality. According to the data obtained, the increase in channel heat transfer results in a decrease in the amount of stored heat. In addition, the increase in the resistance surface area significantly affects the melting-solidification rate, especially accelerates the solidification.