Faz değiştiren malzemeler (FDM) ile ısıl enerji depolamanın araştırılması: Doğrudan kullanım ve hidrojen depolama uygulaması
Investigation of thermal energy storage with phase change materials (PCMs): Direct usage and hydrogen storage application
Yazar: BÜŞRA ARSLAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Farklı faz değiştiren malzeme (FDM) türleri içerisinde avantajları sayesinde en çok kullanılan türün parafin mumu olduğu bilinmektedir. Ancak düşük termal iletkenlik, kısıtlı çalışma sıcaklık aralığı, sızıntı ve stabilizasyon sorunları, uygulamalarda parafin mumu kullanılmasına direnç gösteren ana problemlerdir. Yapılan tez çalışmasında, bu problemleri minimuma indirmek amacıyla, yüksek termal iletkenliğe ve yüksek mekanik dayanıklılığa sahip, silindirik kabuklu alüminyum makrokapsüller kullanılarak bir ısıl enerji depolama ünitesi tasarlanmıştır. Ansys-Fluent programı kullanılarak sayısal analiz yapılmış, parafinin ısıl davranışı karakterize edilmiştir. Diferansiyel taramalı kalorimetre cihazı ile özellikleri belirlenen iki farklı parafin, kapsüllü/kapsülsüz kullanılarak, ısıl enerji depolama performansları karşılaştırılmıştır. Isı transfer akışkanı giriş koşullarının şarj (erime) performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuçlar, ısı transfer akışkanı giriş sıcaklığındaki artışın, şarj süresini %26,3 oranında düşürdüğünü, giriş akış hızının bir eşik değerin üzerine çıkarılmasıyla ısı transfer hızını %27,9 oranında arttırdığını göstermektedir. Parafinin kapsüllenmiş olması ile toplam erime süresinde önemli bir azalma görülmüş, aynı sürede depolanan toplam enerji %60,5 ve %50,7 oranında artmıştır. Alüminyum kapsüller, ucuz kapsülleme malzemesi açısından mükemmel bir potansiyel ortaya koymuştur. Ayrıca ısı transferinin ağırlıklı olarak şarj işlemi sırasında doğal taşınım nedeniyle gerçekleştiği görülmüştür. Metal hidrür (MH) reaktöründe ısıl enerji depolama malzemesi olarak FDM kullanımı, hidrojen şarj işleminde meydana gelen ekzotermik reaksiyon ile açığa çıkan ısının depolanması ve hidrojen deşarj işleminde meydana gelen endotermik reaksiyon ile bu ısının geri kazanılması için etkili bir yöntemdir. Bu sebeple, yapılan bu tez çalışmasında ayrıca, bir LaNi5-H2 reaktöründe hidrojen şarj-deşarj süreçleri deneysel olarak incelenmiş ve FDM'li/FDM'siz olarak karşılaştırılmıştır. Bu amaç için, LaNi5 alaşımı ile doldurulmuş silindirik MH reaktörünün etrafına FDM entegre edilerek hibrit bir sistem tasarlanmıştır. Hidrojen depolama basıncı ve reaktör tasarımının hidrojen şarj-deşarj hızını önemli ölçüde etkilediği görülmüştür. MH reaktörlerinin otomobil ve denizaltı gibi ulaşım araçlarında kullanımı düşünüldüğünde, hibrit bir MH-FDM depolama sisteminin tasarlanması, hidrojen depolama teknolojilerinin ve ulaşım teknolojilerinin gelişmesi açısından umut vericidir.

Abstract:
Among the different types of phase change materials (PCM), paraffin wax is known to be the most widely used due to its advantages. However, low thermal conductivity, limited operating temperature range, leakage, and stabilization are the main problems preventing paraffin wax use in applications. In this thesis, to minimize these problems, a thermal energy storage unit was designed using cylindrical shell aluminum macrocapsules with high thermal conductivity and mechanical strength. Numerical analysis was performed using Ansys-Fluent software, and the thermal behavior of paraffin was characterized. Two different kinds of paraffin, whose properties were determined by differential scanning calorimetry, were used with and without encapsulation, and their thermal energy storage performances were compared. The effect of heat transfer fluid inlet conditions on the charging (melting) performance was investigated. The results show that increasing the inlet temperature of the heat transfer fluid decreases the charging time by 26.3% while increasing the inlet flow rate above a threshold value increases the heat transfer rate by 27.9%. Encapsulation of paraffin significantly reduced the total melting time, while the total energy stored simultaneously increased by 60.5% and 50.7%. Aluminum capsules showed excellent potential as an inexpensive encapsulation material. It was also observed that the heat transfer was mainly due to natural convection during the charging process. The use of PCM as a thermal energy storage material in a metal hydride (MH) reactor is an effective method for storing the heat released by the exothermic reaction occurring in the hydrogen charging process and recovering this heat by the endothermic reaction occurring in the hydrogen discharging process. For this reason, in this thesis, hydrogen charge-discharge processes in a LaNi5-H2 reactor were experimentally investigated and compared with and without PCM. For this purpose, a hybrid system was designed by integrating PCM around a cylindrical MH reactor filled with LaNi5 alloy. Hydrogen storage pressure and reactor design significantly affected the hydrogen charge-discharge rate. Considering the use of MH reactors in vehicles such as automobiles and submarines, the design of a hybrid MH-PCM storage system is promising for developing hydrogen and transportation technologies.