Parafinle gizli ısı depolamada depo geometrisi optimizasyonu üzerine deneysel bir çalışma
An experimental study on optimization of the storage geometry in latent heat storage systems using paraffin
Yazar: MİTHAT AKGÜN
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN AYDIN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Enerji arz ve talebi arasındaki uyumsuzluk uygun bir enerji depolama sistemininkullanımıyla giderilebilir. Termal enerjinin depolanması için üç ana yöntem vardır: duyulur,gizli ve termokimyasal. Faz değiştiren maddeleri (FDM) kullanan gizli ısı depolama, yüksekenerji depolama yoğunluğu ve ergime ve katılaşma esnasındaki izotermal çalışmakarakteristikleri nedeniyle en etkin termal enerji depolama şeklidir.Yükleme/boşaltma esnasında bir depo içerisindeki ısı geçişi daha iyi bir depolamaperformansı için iyileştirilmelidir. Bu iki şekilde gerçekleştirilebilir: aktif ve pasif. Aktifyöntem ekstra enerji kullanmayı gerektirirken pasif yöntem gerektirmez. Bu çalışmada, depogeometrisinin değiştirilmesine yönelik pasif bir yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemle fazdeğiştiren madde içerisinde doğal taşınımı kuvvetlendirmek, doldurma/boşaltma zamanınıazaltmak ve deponun verimini artırmak hedeflenmiştir. Bir kabuk içerisinde bulunan tüp depogeometrisinde yeni bir değişiklik önerilmiştir. Önerilen geometride, deponun dış yüzeyi (dışkabuk) daha önce gözlenen erime ve katılaşma davranışına cevap verecek şekildeeğimlendirilmiştir. Faz değiştiren madde olarak üç farklı saf parafin kullanılmıştır. Öncelikle,diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) kullanılarak parafinlerin termofiziksel özellikleribelirlenmiştir. Düşey konumda beş farklı depo kabuk açısında çalışılmıştır: 0o, 5o, 10o, 15o ve20o. Ayrıca, deponun farklı yerleştirme konumları da incelenmiştir: düşey, yatay ve yatayla30o ve 60o konumlandırılması. Farklı geometrik konfigürasyonlarda, her bir parafin tipi için,ısı transfer akışkanının giriş sıcaklığı ve debisinin erime/katılaşma davranışı üzerindeki etkisiincelenmiştir. Deneylerde ısı transfer akışkanı olarak su kullanılmıştır. Deneysel sonuçlarındoğruluğu için hata analizi yapılmıştır. Son olarak optimum depo geometrisi ve çalışmakoşullarını belirlemek için bir termodinamik analiz yapılmıştır.Dış kabuk eğim açısı parafinin erime süresini etkilemektedir. 5o kabuk açılı düşeydeponun en kısa erime zamanına sahip olduğu, yatay depolamada ise en kısa erime zamanısilindirik depolamada olduğu görülmüştür. Yerleştirme açısının parafinin katılaşma süresineetkisinin ihmal edilir düzeyde olduğu belirlenmiştir

Abstract:
The discrepancy between energy supply or availability and demand can be overcomeby the implementation of a proper energy storage system. There are three main methods forstoring the thermal energy: sensible, latent and thermo chemical. The latent heat storageemploying phase change material (PCM) is the most effective way due to its advantages ofhigh energy storage density and its isothermal operating characteristics during melting andsolidification processes.Heat transfer in a storage device during charging/discharging should be enhanced for abetter performance. This can be realized in two ways: active and passive. The active methodrequires usage of extra energy while the passive one does not. In this study, a passiveenhancement technique has been applied, which is based on the modification of the storagegeometry, in order to intensify the natural convection currents inside the PCM, decrease thecharge/discharge time and increase the efficiency of the storage container. A novelmodification on a tube-in-shell type storage geometry is suggested. In the proposed geometry,the outer surface of the storage container, i.e. the shell, is inclined in order to respond themelting and solidification characteristics observed earlier. Three kinds of pure paraffin havebeen used. At first, the thermo physical properties of the paraffins used are determinedthrough the differential scanning calorimeter (DSC). Five different inclination angles of theshell have been tested: 0o, 5o, 10o, 15o, and 20o. In addition, different positions of the storagecontainer have also been examined: vertical, horizontal, and tilted to the horizontal axis withangles of 30o and 60o. At different geometrical configurations, for each paraffin type, theeffects of the inlet temperature and the mass flow rate of the heat transfer fluid (here, water)on the melting/solidification behavior have been examined. In order to assess the validity ofthe experimental results, an uncertainty analysis has been conducted. Finally, athermodynamic analysis has been performed in order to determine the optimum storagegeometry and the working conditions.