Eş eksenli üç borulu ısı eşanjörlerinde faz değiştiren madde kullanarak ısıl enerji depolanmasının incelenmesi
An investigation on thermal energy storage in triple concentric-tube heat exchangers by using phase change materials
Yazar: BİROL BAŞAL
Danışman: PROF. DR. AHMET ÜNAL
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde birincil konumdaki fosil enerji kaynaklarının bir yandan tükeniyorolması ve diger yandan da bu kaynaklardan saglanan enerjinin pek çok çevre sorunlarınayol açıyor olması hem mevcut enerji kaynaklarının verimli kullanımı hem de yeni veyenilenebilir kaynakların arastırılması ile ilgili çalısmaları önemli hale getirmistir.Enerjinin verimli kullanılmasında enerji depolamanın, özellikle de ısıl enerji depolamanınönemli bir yeri vardır. Isıl enerji depolama seçenekleri arasında da, yüksek yogunlukta veneredeyse sabit sıcaklıkta enerji depolayabilme gibi üstünlükleri nedeniyle faz degistirenmaddelerin (FDM) kullanıldıgı gizli ısı depolama sistemleri birinci sırada yer almaktadır.Bu çalısmada, ısı deposu olarak es eksenli üç borulu bir ısı esanjörü göz önünealınmıs ve bu esanjörde en içteki boru ile ikinci boru arasındaki halkasal aralıgayerlestirilmis olan FDM'nin, en içteki borudan ve dıstaki halkasal aralıktan geçen bir ısıtransfer akıskanı aracılıgıyla eritilerek ısı depolanması sırasındaki ısıl davranısı sayısalolarak incelenmistir.Çalısmada ısı transfer akıskanının kütlesel debisi ve esanjöre giris sıcaklıgı ileesanjörün karakteristik geometrik büyüklüklerinin ısı deposunun performansına etkileridetaylı olarak incelenmis ve buna baglı olarak en uygun çalısma kosulları ve geometrikbüyüklükler belirlenmeye çalısılmıstır. Çalısmada ayrıca, es eksenli üç borulu ısı esanjörüseklindeki bir ısı deposunun sarj edilme süresi bakımından uygulamada mevcut olan ikiborulu esanjör seklindeki ısı depolarından kat kat üstün oldugu belirlenmistir.Anahtar Kelimeler: Faz Degistiren Maddeler, Gizli Isı Depolama, Isı Esanjörleri,Hareketli Sınır Problemleri, Entalpi Metodu, Sonlu Farklar Yöntemi,Degisken Dogrultulu mplisit Metot.

Abstract:
Fossil fuels serving as primary energy sources today are not unlimited in the amount.Furthermore, the emissions related to the use of fossil fuels result in so manyenvironmental problems. For these reasons, studies on both energy efficiency enhancementof current energy sources and improvement of renewable energy utilization systems havebecame very important. Using thermal energy storage systems can be considered as one ofthe important ways of efficient energy utilization. Among the thermal energy storagesystems, latent heat storage systems are superior because of their high density energystorage capacity at a nearly constant phase change temperature.In this study, a triple concentric-tube heat exchanger type heat storage system isconsidered. In the apparatus it is assumed that the phase change material (PCM) located inthe annulus formed by the innermost tube and the middle tube melts by exchanging heatwith a fluid flowing in the innermost tube and in the outer annulus and the energy storageis accomplished in this way and the thermal behavior of energy storage system underconsideration is investigated numerically.In the present study, the effects of the inlet temperature and the mass flow rate ofheat transfer fluid and the characteristic geometrical parameters of the heat exchanger onthe storage performance is investigated in detail. Based on these detailed parametricstudies, the most convenient operating conditions and geometric characteristics of the heatexchanger are determined. Furthermore, the charging rates of the triple concentric-tubeheat exchanger type storage system considered in this study and the classical doubleconcentric?tube heat exchanger type storage system are compared and it is obtained thatthe former performs several times better than the latter.Key Words: Phase Changing Materials, Latent Heat Storage, Heat Exchangers,Moving Boundary Problems, Enthalpy Method, Finite DifferenceMethod, Alternating Direction Implicit Method