Faz değiştiren malzeme esaslı termal enerji depolama birim şeklinin ve ısı kaynak yönünün enerji depolama üzerine etkilerinin araştırılması
Evaluation of the melting process in an energy storage unit containing phase change material at different heating powers
Yazar: SAMED ÇETİN
Danışman: DOÇ. DR. ÜMİT NAZLI TEMEL
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde gizli enerji depolama malzemeleri olarak yaygın kullanım potansiyeline sahip faz değiştiren malzemelere (FDM) etkin biçimde enerji depolanabilmesi ve depolanan enerjinin geri alınabilmesi için FDM'lerin faz değişim süreçlerinin iyi bilinmesi önemli çalışma konularından birisidir. Bu amaçla bu çalışmada, eşit hacimli ancak farklı şekillere sahip kapların termal enerji depolama üzerine etkilerinin sistematik olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla; kare, genişleyen ve daralan şeklinde 3 farklı model oluşturulmuştur. Oluşturulan bu modellerin içerisine eşit hacimde olacak şekilde faz değiştiren malzeme doldurulmuştur. Daha sonra, faz değiştiren malzeme içeren enerji depolama birimlerinin bir ısı kaynağından aldığı ısıl enerjiyi depolama performansları ayrıntılı olarak deneysel ve sayısal yöntem ile incelenmiştir. 
Önerilen tez kapsamında ayrıca yukarıda bahsedilen 3 farklı şekle sahip enerji depolama birimleri için ısı kaynağı yön etkisi enerji depolama performansı açısından incelenmiştir. Bu bağlamda yukarıda bahsedilen 3 farklı model için ısı kaynağının alt tabanda olması, sol kenarda olması ve üst tabanda olması durumunda enerji depolama performansları belirlenmiştir. Tez kapsamında öncelikle deney seti oluşturulup ölçümler gerçekleştirilerek, elde edilen veriler ayrıca Ansys Fluent programında elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Bu anlamda, faz değiştiren malzeme (FDM) içeren bir termal enerji depolama biriminin (TEDB) farklı ısıtma güçlerinde alttan, yandan ve üstten ısıtılması durumundaki erime süreçleri deneysel olarak incelenmiştir. Erime işlemi sırasında FDM'nin katı, lapa ve sıvı oranlarının zamana göre değişimi yeni bir deneysel Günümüzde gizli enerji depolama malzemeleri olarak yaygın kullanım potansiyeline sahip faz değiştiren malzemelere (FDM) etkin biçimde enerji depolanabilmesi ve depolanan enerjinin geri alınabilmesi için FDM'lerin faz değişim süreçlerinin iyi bilinmesi önemli çalışma konularından birisidir. Bu amaçla bu çalışmada, eşit hacimli ancak farklı şekillere sahip kapların termal enerji depolama üzerine etkilerinin sistematik olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla; kare, genişleyen ve daralan şeklinde 3 farklı model oluşturulmuştur. Oluşturulan bu modellerin içerisine eşit hacimde olacak şekilde faz değiştiren malzeme doldurulmuştur. Daha sonra, faz değiştiren malzeme içeren enerji depolama birimlerinin bir ısı kaynağından aldığı ısıl enerjiyi depolama performansları ayrıntılı olarak deneysel ve sayısal yöntem ile incelenmiştir. 
Önerilen tez kapsamında ayrıca yukarıda bahsedilen 3 farklı şekle sahip enerji depolama birimleri için ısı kaynağı yön etkisi enerji depolama performansı açısından incelenmiştir. Bu bağlamda yukarıda bahsedilen 3 farklı model için ısı kaynağının alt tabanda olması, sol kenarda olması ve üst tabanda olması durumunda enerji depolama performansları belirlenmiştir. Tez kapsamında öncelikle deney seti oluşturulup ölçümler gerçekleştirilerek, elde edilen veriler ayrıca Ansys Fluent programında elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. Bu anlamda, faz değiştiren malzeme (FDM) içeren bir termal enerji depolama biriminin (TEDB) farklı ısıtma güçlerinde alttan, yandan ve üstten ısıtılması durumundaki erime süreçleri deneysel olarak incelenmiştir. Erime işlemi sırasında FDM'nin katı, lapa ve sıvı oranlarının zamana göre değişimi yeni bir deneysel yöntem kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem; bir termal kamera kullanılarak FDM erime sürecinin görselleştirmesi sonucu elde edilen sıcaklık konturlarına ait gruplandırılmış sıcaklık verilerinin (histogramlarının) analizi esasına dayanmaktadır. Sıcaklık histogramları; FDM için erime öncesi, erime aralığı ve erime sonrası olmak üzere üç bölgeye ayrılarak elde edilmiştir. Sıcaklık histogramlarının analizleri sonucunda toplam FDM için toplam erime süresi, katı, lapa ve sıvı oranları gibi ölçümler gerçekleştirilmiştir. Alttan ısıtılan TEDB içindeki FDM'nin toplam erime süreleri; 30W, 40W ve 50W ısıtma güçlerinde sırasıyla yaklaşık olarak 210, 170 ve 120 dakika olarak ölçülmüştür. Bununla birlikte 120. dakika sonunda sıvı FDM oranı 30W, 40W ve 50W için sırasıyla %49.6, %62.1 ve %97.1 olarak belirlenmiştir. Aynı zaman anı için TEDB içindeki lapa oranları ise 30W, 40W ve 50W için sırasıyla %13.4, %12, %2.9 olarak ölçülmüştür. Sol yandan ısıtılan TEDB içindeki FDM'nin toplam erime süre süreleri; 30W, 40W ve 50W ısıtma güçlerinde sırasıyla yaklaşık olarak 290, 220 ve 170 dakika olarak ölçülmüştür. 50W ısıtma gücünde 170. dakikada katı oranı %0, lapa oranı %0.3 ve sıvı oranı %99.7 olarak ölçülmüştür. Aynı zaman anı için 40W ısıtma gücünde katı oranı %2.9, lapa oranı %9.4, sıvı oranı %87.3 olarak ölçülmüştür.  30W ısıtma gücü için aynı zaman anındaki katı, lapa ve sıvı oranları sırasıyla, %14.5, %16.4 ve %69.1 olarak ölçülmüştür. Üstten ısıtılan TEDB için ise erime süreci, enerji depolama biriminin aşırı zorlanması nedeniyle yaklaşık olarak 200. dakikaya kadar test edilmiş olup tam erime süresi belirlenememiştir. 50W ısıtma gücünde 200. dakikada katı oranı %51.3, lapa oranı %10.6 ve sıvı oranı %38.1 olarak ölçülmüştür. Aynı zaman anı için 40W ısıtma gücünde katı oranı %53.4, lapa oranı %11.7, sıvı oranı %33.9 olarak ölçülmüştür.  Benzer şekilde 30W ısıtma gücü için aynı zaman anındaki katı, lapa ve sıvı oranları sırasıyla, %60.6, %11.5 ve %27.9 olarak ölçülmüştür.

Abstract:
In order to be able to store energy efficiently and retrieve the stored energy to phase change materials (FDM), which can be used widely as latent energy storage materials, one of the important study subjects is to understand the phase change processes of FDMs well. For this purpose, in this study, it is aimed to systematically examine the effects of containers of equal volume but different shapes on thermal energy storage. To this end; 3 different models were created in the form of square, expanding and contracting. These models are filled with phase change material in equal volume. Then, the thermal energy storage performance of energy storage units containing phase change material from a heat source were examined in detail by experimental and numerical methods.
Within the scope of the proposed thesis, the effect of the direction of the heat source for the energy storage units with 3 different shapes mentioned above was also investigated in terms of energy storage performance. In this context, the energy storage performances of the 3 different models mentioned above were determined if the heat source is at the bottom, on the left side, and on the top floor. Within the scope of the thesis study, firstly, the experimental set was created and the measurements were carried out, and the data obtained were also compared with the data obtained in the Ansys Fluent program. In this sense, the melting processes of a thermal energy storage unit (TEDB) containing phase change material (FDM) at different heating powers from bottom, side and top are investigated experimentally. The time variation of solid, mushy, and liquid fractions of PCM during the melting process was carried out using a new experimental method. This In order to be able to store energy efficiently and retrieve the stored energy to phase change materials (FDM), which can be used widely as latent energy storage materials, one of the important study subjects is to understand the phase change processes of FDMs well. For this purpose, in this study, it is aimed to systematically examine the effects of containers of equal volume but different shapes on thermal energy storage. To this end; 3 different models were created in the form of square, expanding and contracting. These models are filled with phase change material in equal volume. Then, the thermal energy storage performance of energy storage units containing phase change material from a heat source were examined in detail by experimental and numerical methods.
Within the scope of the proposed thesis, the effect of the direction of the heat source for the energy storage units with 3 different shapes mentioned above was also investigated in terms of energy storage performance. In this context, the energy storage performances of the 3 different models mentioned above were determined if the heat source is at the bottom, on the left side, and on the top floor. Within the scope of the thesis study, firstly, the experimental set was created and the measurements were carried out, and the data obtained were also compared with the data obtained in the Ansys Fluent program. In this sense, the melting processes of a thermal energy storage unit (TEDB) containing phase change material (FDM) at different heating powers from bottom, side and top are investigated experimentally. The time variation of solid, mushy, and liquid fractions of PCM during the melting process was carried out using a new experimental method. This method is based on the analysis of grouped temperature data (histograms) of the temperature contours obtained as a result of the visualization of the FDM melting process using a thermal camera.  PCM temperature histograms were divided into three regions: pre-melting, melting range, and post-melting. As a result of the analysis of the temperature histograms, measurements such as total melting time, solid, mushy, and liquid fractions of PCM were carried out. Total melting times of PCM within the TESU were measured as approximately 210, 170, and 120 minutes at 30W, 40W, and 50W heating powers, respectively. Additionally, at the end of the 120th minute, the liquid PCM fraction was determined as 49.6%, 62.1%, and 97.1% for 30W, 40W and 50W, respectively. At the same time instant, the mushy fractions within the TESU were measured as 13.4%, 12%, and 2.9% for 30W, 40W and 50W, respectively. Total melting time of the FDM in the TEDB heated on the left side; It has been measured as approximately 290, 220 and 170 minutes at 30W, 40W and 50W heating powers, respectively. The solid ratio was 0%, the pulp ratio was 0.3% and the liquid ratio was 99.7% at the 170th minute at 50W heating power. For the same time, the solid ratio was 2.9%, the pulp ratio was 9.4%, and the liquid ratio was 87.3% at 40W heating power. For 30W heating power, the solid, mash and liquid ratios at the same time were measured as 14.5%, 16.4% and 69.1%, respectively. For the top heated TEDB, the melting process was tested up to approximately 200 minutes due to the excessive strain of the energy storage unit, and the exact melting time could not be determined. The solid ratio was 51.3%, the pulp ratio was 10.6% and the liquid ratio was 38.1% at the 200th minute at 50W heating power. For the same time, the solid ratio was 53.4%, the pulp ratio was 11.7%, and the liquid ratio was 33.9% at 40W heating power. Similarly, for 30W heating power, the ratios of solid, mash and liquid at the same time were measured as 60.6%, 11.5% and 27.9%, respectively.