Halkasal geometriye sahip FDM/grafit matrislerde termal enerji depolama karakteristiklerinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of PCM/graphite matrix thermal energy storage characteristics in tube-in-shell geometry
Yazar: SARE MITINCIK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA YUSUF YAZICI
Samsun Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Küresel ölçekteki sürdürülebilir temiz enerji, yeşil çevre ve düşük karbon salınımı hedefleri için enerji depolama yöntemleri içerisinde gizli ısı termal enerji depolama (GITED) öncelikli araştırma konularından biri olarak görülmektedir. Gizli ısı termal enerji depolama sistemlerinde depolama performansını (W/kg) belirleyen en önemli unsurlardan biri erime/katılaşma davranışlarıdır. Bu tez kapsamında halka aralıklı geometriye sahip parafin ilaveli grafit matris kompozit termal enerji depolama ünitesinin erime performansına yönelik sayısal parametrik bir çalışma ortaya konulmuştur. Sayısal çalışmalar beş farklı grafit matris yığın yoğunluğu (0, 23, 50, 100, 143 kg/m3) için iki farklı sabit yüzey sıcaklığı (75℃ ve 85℃) sınır koşulu altında gerçekleştirilmiştir. Faz değiştiren madde (FDM) olarak parafin kullanılmıştır. Farklı düzenlemelere ve çalışma koşullarına sahip FDM ilaveli grafit matris kompozit depolama ünitesinin performansı zaman bağımlı yerel sıcaklık değişimleri, sıcaklık alanı, sıvı oranı/erime davranışı, erime süresi ve depolanan enerji miktarı üzerinden karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Kurulan sayısal modellerin doğruluğu hazırlanan deney düzeneği ile sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlar FDM/grafit matris kompozit depolama ünitesinin gizli ısı depolamada önemli bir potansiyel olduğunu ortaya koymaktadır. Yığın yoğunluğunun artmasına bağlı olarak artan ısıl yayılım etkisiyle erime süresinin saf parafin durumuna kıyasla yaklaşık 44 kat azaldığı, depolama performansının ise 40 kat arttığı gözlemlenmiştir. 100 kg/m3 yığın yoğunluğu değerinin üzerindeki değerler için FDM/grafit matris performansının sınırlandığı ortaya konulmuştur.

Abstract:
For sustainable clean energy, a green environment, and low carbon emission goals on a global scale, latent heat thermal energy storage (LHTES) is a priority research topic among energy storage methods. One of the most critical factors determining the storage performance (W/kg) in latent heat thermal energy storage systems is the melting/solidification behavior. In this thesis, a numerical parametric study has been performed on the melting performance of a paraffin/graphite matrix composite thermal energy storage unit in a tube in shell geometry. Numerical studies are carried out for five different graphite matrix bulk densities (0, 23, 50, 100, 143 kg/m3) under two constant surface temperatures (75℃ and 85℃) boundary conditions. Paraffin is used as a phase change material (PCM). The performance of the PCM/graphite matrix composite storage unit with different arrangements and operating conditions are investigated in terms of time-dependent local temperature variations, temperature field, liquid fraction/melting behavior, melting time, and amount of stored energy in comparison with the pure PCM. The accuracy of the numerical models is verified with an experimental setup. The results show that the PCM/graphite matrix composite storage unit has significant potential in latent heat storage. It was observed that the melting time decreased by about 44 times, and the storage performance increased by 40 times with the increase in bulk density compared to the pure paraffin state due to the increasing thermal diffusion effect. However, for values above 100 kg/m3 bulk density, the PCM/graphite matrix performance is limited.