Güneş enerjili sıcak su depolama tanklarında kullanılan faz değiştiren maddelerin ısıl enerji depolama performansına etkileri
The effect of phase change materials used in solar hot water storage tanks on thermal energy storage performance
Yazar: BURAK İZGİ
Danışman: DOÇ. DR. MEVLÜT ARSLAN
Yozgat Bozok Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Isı depolama = Heat storage ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Isıl enerji depolama, yenilenebilir enerji kaynaklarının daha verimli kullanılmasını sağlayan bir enerji depolama yöntemidir. Güneş enerjili sıcak su sistemlerinde ısıl enerji genel olarak sıcak su tankında duyulur ısı ve gizli ısı olarak depolanır. Sıcak su depolama tankına faz değiştiren maddeler (FDM) eklenerek faz değişimi sırasındaki gizli ısının katkısı ile depolanan enerji miktarının artırılması ve sistem veriminin iyileştirilmesine yönelik araştırmalar önemli bir çalışma alanı oluşturmaktadır. Bu çalışmada, güneş enerjili sıcak su sistemlerinde yaygın olarak kullanılan, ısı değiştiricisi şeklindeki mantolu dik sıcak su depolama tankına faz değiştiren maddeler eklenmesinin etkileri sistematik olarak analiz edilmiştir. Analizler, hesaplamalı akışkanlar dinamiğine dayalı üç boyutlu sayısal modeller kurularak gerçekleştirilmiştir. Sistemi oluşturan her bir bileşen tek tek ele alınarak modellenmiş ve çeşitli parametrelerin etkileri araştırılmıştır. Öncelikle içerisine FDM eklenecek olan boş tank için oluşturulan sayısal model, yapılan deneysel çalışma ile doğrulanmış ve sistem çeşitli şarj-deşarj koşullarında incelenmiştir. Daha sonra faz değiştirme mekanizmasını daha iyi anlamak amacı ile FDM'nin dikey silindirik bir tüp içerisinde erime ve katılaşma sürecini simüle eden sayısal modeller kurulmuş, kurulan modeller literatürdeki deneysel çalışmalar ile doğrulanmış ve faz değişimine etki eden çeşitli parametrelerin etkileri analiz edilmiştir. Son olarak içerisine FDM eklenmiş olan tank için sayısal bir model oluşturulmuş, oluşturulan model yapılan deneysel çalışma ile doğrulanmış ve parametrik analizler gerçekleştirilerek FDM'nin etkileri FDM bulunmayan tank ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Göz önüne alınan sistemde tank içerisine FDM eklenmesinin, sisteme olumlu yönde etki ettiği, FDM eklenen tankın, FDM bulunmayan tanka göre aynı şartlar altında %7.9 daha fazla sıcak su sağladığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Thermal energy storage is an energy storage method that enables more efficient use of renewable energy sources. In solar hot water systems, thermal energy is generally stored as sensible heat in the hot water tank. Investigations aimed at increasing the amount of energy stored and improving system efficiency by adding phase change materials (PCM) to the hot water storage tank are an important field of study. In this study, the effects of adding phase change materials to a heat exchanger type of vertical hot water storage tank, which is widely used in solar hot water systems, were systematically analyzed. The analysis was carried out by using three-dimensional numerical models based on computational fluid dynamics. Each component constituting the system was modeled individually and the effects of various parameters were investigated. Firstly, the numerical model developed for the empty tank to which PCM will be added was confirmed by the experimental study, and the system was investigated under various charge-discharge conditions. Then, in order to better understanding of the phase change mechanism, numerical models simulating the melting and solidification process of PCM in a vertical cylindrical tube were developed. The models were verified with experimental studies in the literature and the effects of various parameters affecting the phase change were analyzed. Finally, a numerical model was developed for the mantle tank with PCM. This model was verified with the experimental study and parametric analysis was performed. The effects of PCM were examined in comparison with the empty tank. In the considered system, it was determined that adding PCM into the tank has a positive impact on the thermal energy storage system. It was determined that the tank with PCM provided more hot water of 7.9% than the empty tank under the same conditions.