Güneş enerji sistemlerinde faz değiştiren malzeme ile ısıl enerji depolamada kullanılan bir ısı değiştiricisi tasarımı ve sayısal analizi
A heat exchanger design and numerical analysis of thermal energy storage used with phase change materials in solar energy systems
Yazar: MELTEM KOŞAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, ısıl enerji depolama sistemlerinde kullanılan bir ısı değiştiricisinde faz  değiştiren malzemenin ısıl davranışı sayısal analiz yapılarak incelenmiştir. Sayısal analizler, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yaklaşımını kullanan ANSYS Fluent 16.2 ticari programı ile iki boyutlu ve zamana bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Literatürde mevcut deneysel bir çalışma referans alınarak sayısal analiz iç içe borulu ısı değiştiricisi için % 7.8 hata payı ile doğrulanmıştır. Isı transfer akışkan sıcaklığının faz değiştiren malzemelerin erime sürelerine etkisini incelemek için ısı transfer akışkan sıcaklıkları 50 oC, 60 oC ve 70 oC alınarak sayısal analizler yapılmıştır. Faz değiştiren malzemenin düşük ısıl iletkenliğinden dolayı ısı transfer akışkanından ısıyı uzun sürede depolamaktadır. Erime süresini kısaltmak için bu ısı değiştiricisinde dikdörtgen kesitli 6, 9, 12 ve 15 adet kanatçık kullanılarak tasarımlar yapılmış ve kanatçıklı ısı değiştiricisindeki faz değiştiren malzemenin sayısal analizleri yapılmıştır. Yapılan sayısal çalışmada elde edilen sonuçlar, ısı transfer akışkan sıcaklığı ve kanat sayısı arttıkça faz değiştiren malzemenin erime süresinin azaldığını, bu şekilde faz değiştiren malzemenin daha hızlı bir şekilde ısı transfer akışkanından ısıyı depoladığını göstermektedir. Kanat etkenlikleri sırasıyla 2.66, 3.49, 4.32 ve 5.15 olan 6, 9, 12 ve 15 kanatçıklı modellerin kanatçıksız modele göre erime süresini %72.5, %76.7, %78.4 ve %80 oranlarında azalttığı tespit edilmiştir. Böylelikle kanatçık kullanımının erime-katılaşma süresi açısından olumlu etkilerinin olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, the thermal behavior of a phase change material in a heat exchanger used in thermal energy storage systems was investigated by numerical analysis. Two dimensional transient numerical analyzes have been carried out with the ANSYS Fluent 16.2 commercial program using the computational fluid dynamics approach. The study has been validated with a 7.8% error for the tube heat exchanger reference to an experimental study available in the literature. In order to investigate the effect of heat transfer fluid temperature on the melting process of phase change materials, numerical analyzes were carried out by taking heat transfer fluid temperatures 50 oC, 60 oC and 70 oC. Due to the low thermal conductivity of the phase change material, heat is stored from the heat transfer fluid for a long time. In order to shorten the melting time, designs were made by using 6, 9, 12 and 15 fins with rectangular cross section in this heat exchanger and numerical analysis of the phase change material in the fin heat exchanger was performed. The results obtained in the numerical study show that as the heat transfer fluid temperature and the number of fins increase, the melting time of the phase change material decreases and thus the phase change material stores the heat from the heat transfer fluid more rapidly. It has been identified that the fin models with 6, 9, 12 and 15 which are 2.66, 3.49, 4.32 and 5.15 of fin effectiveness reduce the melting time by 72.5%, 76.7%, 78.4% and 80% respectively, according to without fin model. Thus, it was observed that the use of the fin was positively influenced by the melting-solidification time.