ELEKTRİKTE PİK TALEBİ TÖRPÜLEME İÇİN KULLANILACAK FDM-HAVA SOĞUK ENERJİ DEPOLAMA CİHAZI TASARIMI VE OPTİMİZASYONU

Abstract

Soğuk enerji depolama cihazındaki faz değişim malzemesinin ergime sürecinin parametrik analiz ve boyutsal optimizasyon çalışması yürütülmüştür. Faz değişim malzemesi FDM, soğuk enerjiyi depolamak için kullanılır. Çapraz akışlı borulu FDM-hava ısı değiştiricisi kullanılmıştır. Antalya’da bir yaz günü için 5 saat boyunca elektrikte pik talebi törpüleme amaçlanmıştır. Antalya’da 33m2’lik bir odanın soğutma yükü referans değer olarak alınmıştır. Binanın 5 saat boyunca sıcaklığını sabit tutmak için gerekli soğutma yükü olan minimum 2850 W’lık soğutma sağlanmıştır Hava hızını sabit olarak ele alan çalışmaların aksine; bu çalışmada minimum soğutma yükünü karşılayabilmek amacıyla ergime süreci boyunca hava hızı değiştirilmiştir. Ergime süreci sayısal bir model ile analiz edilmiştir. Hesaplama algoritması MATLAB ortamında uygulanmıştır. Sayısal model aynı boyutlar ve koşullar için literatürdeki bir çalışma ile kıyaslanarak doğrulanmıştır. Zamana bağlı analiz yürütülmüş olup, problem zaman ve konum için ayrıklaştırılmıştır. Boyutsal optimizasyon algoritması ele alınmıştır. Toplam ısı geçişinin toplam fan enerji tüketimine oranı olarak bilinen “performans oranı/ soğutma indeksi” parametresi tanımlanmıştır. Bu algoritma ile sıralı ve kademeli demeti dizilimleri için performans oranını maksimize eden borular arası optimum mesafeler araştırılmıştır. En iyi performans oranı her iki düzen için de 0.2 m/s başlangıç hızı için elde edilmiştir. Ayrıca boruların boyut/dizilim, FDM kütlesi ve ısı iletim katsayısının FDM ergime karakteristiğine etkisi incelenmiştir. FDM ısı iletim katsayısının 0.2 W/(m·K)’den 0.6 W/(m·K)’ye çıkarılması sonucu performans katsayısının sıralı ve kademeli dizilim için sırasıyla 4.58 ve 3.52 kat arttığı bulundu. Isı iletim katsayısının iyileştirilmesi sonucu FDM’den 10 kg tasarruf edilebileceği hesaplandı.

Keywords

• Soğuk enerji depolama
• Faz değişim malzemeleri
• FDM-hava ısı değiştiricileri

DESIGN AND OPTIMIZATION OF PCM-AIR COLD ENERGY STORAGE DEVICE TO BE USED FOR PEAK ELECTRICITY SHAVING

Abstract

Parametric analysis and dimensional optimization study for the melting process of the phase changing material placed in cold energy storage devices have been conducted. Phase changing material, PCM, is used to store the cold energy. A cross-flow tubular PCM-air heat exchanger is used. An electricity peak shaving for a summer day in Antalya for 5 hours (10:00-15:00) is aimed. The cooling load of a room (33 m2) in Antalya is taken as a reference value. A minimum cooling load of 2850 W is supplied throughout 5 hours to maintain the building's comfort temperature. Contrary to the studies handling air velocity constant, it is varied during melting in the present study to satisfy the minimum cooling load. The melting process is analyzed using a numerical model. A computational algorithm is implemented in MATLAB environment. The numerical model is validated for the same conditions and the dimensions with an analytical model presented in the literature. A transient analysis has been employed, and the problem is discretized for the time and space domain. A dimensional optimization algorithm is employed. A parameter “performance ratio/ cooling index”, the ratio of total cooling to fan energy consumption, is defined. Spacing between the tubes giving the maximum performance ratio is sought for aligned and staggered tube bank arrangements using this algorithm. The best performance ratio is obtained at 0.2 m/s initial velocities for both arrangements. In addition, the effect of sizing/arrangement of the tubes, PCM mass, and thermal conductivity of the PCM on the melting characteristics is investigated. As a result of increasing the thermal conductivity from 0.2 W/(m·K) to 0.6 W/(m·K), the performance ratios are raised 4.58 and 3.52 times for aligned and staggered orders, respectively. It is calculated that 10 kg PCM can be saved thanks to enhancing the thermal conductivity of the PCM.

Keywords

• Cold energy storage
• Phase change materials
• PCM-air heat exchanger

References

1. Asker, M., & Günerhan, H. (2016). Faz deǧişim malzemeli isi deǧiştirici üzerine parametrik bir çalişma. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31(3), 555–565. https://doi.org/10.17341/gummfd.76037
2. Aydin, O., Avci, M., Yazici, M. Y., & Akgun, M. (2018). Enhancing storage performance in a tube-in shell storage unit by attaching a conducting fin to the bottom of the tube. Isi Bilimi Ve Teknigi Dergisi/ Journal of Thermal Science and Technology, 38(2), 1–13.
3. Chaiyat, N., & Kiatsiriroat, T. (2014). Energy reduction of building air-conditioner with phase change material in Thailand. Case Studies in Thermal Engineering, 4, 175–186. https://doi.org/10.1016/j.csite.2014.09.006
4. Cheng, W. L., Zhang, R. M., Xie, K., Liu, N., & Wang, J. (2010). Heat conduction enhanced shape-stabilized paraffin/HDPE composite PCMs by graphite addition: Preparation and thermal properties. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(10), 1636–1642. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.05.020
5. Dhumane, R., Qiao, Y., Ling, J., Muehlbauer, J., Aute, V., Hwang, Y., & Radermacher, R. (2019). Improving system performance of a personal conditioning system integrated with thermal storage. Applied Thermal Engineering, 147(June 2018), 40–51. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.004
6. Dubovsky, V., Ziskind, G., & Letan, R. (2011). Analytical model of a PCM-air heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 31(16), 3453–3462. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.06.031
7. Erdemir, Dogan, and Necdet Altuntop. 2018. “Effect of Encapsulated Ice Thermal Storage System on Cooling Cost for a Hypermarket.” International Journal of Energy Research 42 (9): 3091–3101. https://doi.org/10.1002/er.3971.
8. Erkmen, F. İ., Gedik, G.Z., (2007) Örnek Bi̇r Konutun Farkli Yöntemlerle Hesaplanan Soğutma Yükleri̇ni̇n Karşılaştırılması : Antalya Ve Diyarbakır Örneği. İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Yıl 6 Sayı 11, 143–163.

9. Fang, G., Wu, S., & Liu, X. (2010). Experimental study on cool storage air-conditioning system with spherical capsules packed bed. Energy and Buildings, 42(7), 1056–1062. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.01.018
10. Hed, G., & Bellander, R. (2006). Mathematical modelling of PCM air heat exchanger. Energy and Buildings, 38(2), 82–89. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2005.04.002
11. Holman, J P, and P R. S. White. Heat Transfer. London: McGraw-Hill, 1992. Print. Incropera, Frank P, and David P. DeWitt. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New York: J. Wiley, 2002. Print.
12. Khan, Z., Khan, Z., & Ghafoor, A. (2016). A review of performance enhancement of PCM based latent heat storage system within the context of materials, thermal stability and compatibility. Energy Conversion and Management, 115, 132–158. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.045
13. Koz, M., & Khalifa, H. E. (2018). Phase change material melting in an energy storage module for a micro environmental control system. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 10(6). https://doi.org/10.1115/1.4040896
14. Kuznik, F., Arzamendia Lopez, J. P., Baillis, D., & Johannes, K. (2015). Design of a PCM to air heat exchanger using dimensionless analysis: Application to electricity peak shaving in buildings. Energy and Buildings, 106, 65–73. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.03.046
15. Letan, R., Ziskind, G., Thermal design and operation of a portable PCM cooler. in: M. Kutz (Ed.), Heat Transfer Calculations. McGraw-Hill, New York, 2006 (Chapter 39)
16. Souayfane, F., Fardoun, F., & Biwole, P. H. (2016). Phase change materials (PCM) for cooling applications in buildings: A review. Energy and Buildings, 129, 396–431. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.04.006
17. Türkakar, G., & Okutucu-Özyurt, T. (2012). Dimensional optimization of microchannel heat sinks with multiple heat sources. International Journal of Thermal Sciences, 62, 85–92. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2011.12.015
18. Yang, N., Zhang, X., Li, G., & Hua, D. (2015). Assessment of the forced air-cooling performance for cylindrical lithium-ion battery packs: A comparative analysis between aligned and staggered cell arrangements. Applied Thermal Engineering, 80, 55–65. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.01.049
19. Zhao, D., & Tan, G. (2015). Numerical analysis of a shell-and-tube latent heat storage unit with fins for air-conditioning application. Applied Energy, 138, 381–392. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.051
20. Zukauskas, A. “Heat Transfer from Tubes in Cross Flow,” Adv. Heat Transfer, vol. 8, pp. 93–160, 1972.