Research Article
BibTex RIS Cite

Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi

Year 2018, Volume: 21 Issue: 2, 403 - 409, 01.06.2018
https://doi.org/10.2339/politeknik.389594

Abstract

Bu çalışmada, termal enerji
depolama (TED) sistemlerinde kullanılan bir iç içe borulu ısı değiştiricisinde
faz  değiştiren malzemenin (FDM) erime
sürecindeki ısıl davranışı, kanatçıklı ve kanatçıksız modeller ile sayısal
analizi yapılarak incelenmiştir. Sayısal analizler, Hesaplamalı Akışkanlar
Dinamiği (HAD) yaklaşımını kullanan ANSYS Fluent ticari programı ile iki
boyutlu ve zamana bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Öncelikle literatürde
mevcut deneysel bir çalışma referans alınarak sayısal analiz kanatçıksız model
için doğrulanmıştır. Bu modelde ısı transfer akışkanı (ITA)’nın sıcaklıkları 50
oC, 60 oC ve 70 oC alınarak ITA sıcaklığının
FDM erime süresine etkisi değerlendirilmiştir. Daha sonra bu modele 6, 9, 12 ve
15 adet kanatçıklar eklenip, kanatçık sayısının da FDM’nin erime süresine
etkisi araştırılmıştır. Yapılan sayısal çalışmada elde edilen sonuçlar, ITA
sıcaklığı ve kanat sayısı arttıkça FDM’nin erime süresinin azaldığını, böylece
FDM’nin daha hızlı bir şekilde ITA’dan ısıyı depoladığını göstermektedir. Kanat
etkenlikleri sırasıyla 2,66, 3,49, 4,32 ve 5,15 olan 6, 9, 12 ve 15 kanatçıklı
modellerin kanatçıksız modele göre erime süresini %72,5, %76,7, %78,4 ve %80
azalttığı belirlenmiştir.  

References

  • [1] Iten, M. and Liu, S., “A work procedure of utilising PCMs as thermal storage systems based on air-TES systems”, Energy Conversion and Management, 77: 608-627, (2014).
  • [2] Khadiran, T., Hussein, M.Z., Zainal, Z. and Rusli, R., “Advanced energy storage materials for building applications and their thermal performance characterization: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 57: 916-928, (2016).
  • [3] Rathod, M.K. and Banerjee, J., “Thermal stability of phase change materials used in latent heat energy storage systems: Areview”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 18: 246-258, (2013).
  • [4] Chow, L.C., Zhong, J.K. and Beam, J.E., ‘‘Thermal conductivity enhancement for phase change storage media’’, Heat and Mass Transfer, 23: 91-100, (1996).
  • [5] Velraj, R., Seeniraj, R.V., Hafner, B., Faber, C. and Schwarzer, K., ‘‘Heat transfer enhancement in a latent heat storage system’’, Solar Energy, 65: 171-180, (1999).
  • [6] Marin, J.M., Zalba, B., Cabeza, L.F. and Mehling, H., ‘‘Improvement of a thermal energy storage using plates with paraffin–graphite composite’’, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48: 2561-2570, (2005).
  • [7] Osterman, E., Butala, V. and Stritih., U., “PCM thermal storage system for ‘free’ heating and cooling of buildings”, Energy and Buildings, 106: 125-133, (2015).
  • [8] Tay, N.H.S., Bruno, F. and Belusko, M., “Comparison of pinned and finned tubes in a phase change thermal energy storage system using CFD”, Applied Energy, 104: 79-86, (2013).
  • [9] Mat, S., Al-Abidi, A.A., Sopian, K., Sulaiman, M.Y. and Mohammad, A.Y., “Enhance heat transfer for PCM melting in triplex tube with internal-external fins”, Energy Conversion and Management, 74: 223-236, (2013).
  • [10] Medrano, M., Yilmaz, M.O., Nogués, M., Martorell, I., Roca, J. and Cabeza, L.F., “Experimental evaluation of commercial heat exchangers for use as PCM thermal storage systems”, Applied Energy, 86: 2047-2055, (2009).
  • [11] Hosseini, M.J., Ranjbar, A.A., Sedighi, K. and Rahimi, M., “A combined experimental and computational study on the melting behavior of a medium temperature phase change storage material inside shell and tube heat exchanger”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 39: 1416-1424, (2012).
  • [12] Li, W. and Kong, C., “Numerical study on the thermal performance of a shell and tube phase change heat storage unit during melting process”, Advances in Mechanical Engineering, 6: 1-7, (2014).
  • [13] Jmal, I. and Baccar, M., “Numerical study of PCM solidification in a finned tube thermal storage including natural convection”, Applied Thermal Engineering, 84: 320-330, (2015).
  • [14] Cano, D., Funéz, C., Rodriguez, L., Valverde, J.L. and Sanchez-Silva, L., “Experimental investigation of a thermal storage system using phase change materials”, Applied Thermal Engineering, 107: 264-270, (2016).
  • [15] ANSYS, Inc. Fluent Theory Guide, USA, November 28, Chp:21.1-14, (2008).
  • [16] Pahamli, Y., Hosseini, M.J., Ranjbar, A.A. and Bahrampoury, R., “Analysis of the effect of eccentricity and operational parameters in PCM-filled single-pass shell and tube heat exchangers”, Renewable Energy, 97: 344-357, (2016).
  • [17] Incropera, F.P. and Dewitt, D.P., “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, John Wiley Sons, New York, 303-577, (2003).
  • [18] Halıcı, F. and Gündüz, M., “Örneklerle ısı geçişi”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 126-168, (2007).
  • [19] Çengel, Y. A. and Cimbala, J. M. “Akışkanlar mekaniği temelleri ve uygulamaları” (çev.T. Engin, H. R. Öz, H. Küçük ve Ş. Çeşmeci), Güven Bilimsel Yayınevi, İzmir, 818-830, (2006).
  • [20] Eslamnezhad, H. and Rahimi, A.B., “Enhance heat transfer for phase-change materials in triplex tube heat exchanger with selected arrangements of fins”, Applied Thermal Engineering, 113: 813-821, (2017).

Numerical Analysis of a Heat Exchanger That Stores Thermal Energy with Phase Change Materials

Year 2018, Volume: 21 Issue: 2, 403 - 409, 01.06.2018
https://doi.org/10.2339/politeknik.389594

Abstract

In this study, the thermal behavior of the phase
change material (PCM) during melting process inside a shell-and-tube heat
exchanger used in thermal energy storage (TES) systems has been investigated by
numerical analysis with fin and without fin models. Two dimensional transient
numerical analyzes have been carried out with the ANSYS Fluent commercial
program using the computational fluid dynamics (HAD) approach. The study has
been first validated for the without fin model with reference to an
experimental study available in the literature. In this model, the effect of
temperature of heat transfer fluid (HTF) 
on PCM melting time has evaluated by taking HTF’s temperatures 50 oC,
60 oC and 70 oC. Then, 6, 9, 12 and 15 fins have been
added to this model and the effect of the number of fins on the PCM melting
time has been investigated. The results obtained in the numerical study show
that as the HTF temperature and number of fins increase, the melting time of
PCM decreases, so that PCM stores more rapidly the heat from HTF. It has been
determined that the fin models with 6, 9, 12 and 15 which are 2,66, 3,49, 4,32
and 5,15 of fin effectiveness reduce the melting time by 72,5%, 76,7%, 78,4%
and 80% respectively, according to without fin model.

References

  • [1] Iten, M. and Liu, S., “A work procedure of utilising PCMs as thermal storage systems based on air-TES systems”, Energy Conversion and Management, 77: 608-627, (2014).
  • [2] Khadiran, T., Hussein, M.Z., Zainal, Z. and Rusli, R., “Advanced energy storage materials for building applications and their thermal performance characterization: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 57: 916-928, (2016).
  • [3] Rathod, M.K. and Banerjee, J., “Thermal stability of phase change materials used in latent heat energy storage systems: Areview”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 18: 246-258, (2013).
  • [4] Chow, L.C., Zhong, J.K. and Beam, J.E., ‘‘Thermal conductivity enhancement for phase change storage media’’, Heat and Mass Transfer, 23: 91-100, (1996).
  • [5] Velraj, R., Seeniraj, R.V., Hafner, B., Faber, C. and Schwarzer, K., ‘‘Heat transfer enhancement in a latent heat storage system’’, Solar Energy, 65: 171-180, (1999).
  • [6] Marin, J.M., Zalba, B., Cabeza, L.F. and Mehling, H., ‘‘Improvement of a thermal energy storage using plates with paraffin–graphite composite’’, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48: 2561-2570, (2005).
  • [7] Osterman, E., Butala, V. and Stritih., U., “PCM thermal storage system for ‘free’ heating and cooling of buildings”, Energy and Buildings, 106: 125-133, (2015).
  • [8] Tay, N.H.S., Bruno, F. and Belusko, M., “Comparison of pinned and finned tubes in a phase change thermal energy storage system using CFD”, Applied Energy, 104: 79-86, (2013).
  • [9] Mat, S., Al-Abidi, A.A., Sopian, K., Sulaiman, M.Y. and Mohammad, A.Y., “Enhance heat transfer for PCM melting in triplex tube with internal-external fins”, Energy Conversion and Management, 74: 223-236, (2013).
  • [10] Medrano, M., Yilmaz, M.O., Nogués, M., Martorell, I., Roca, J. and Cabeza, L.F., “Experimental evaluation of commercial heat exchangers for use as PCM thermal storage systems”, Applied Energy, 86: 2047-2055, (2009).
  • [11] Hosseini, M.J., Ranjbar, A.A., Sedighi, K. and Rahimi, M., “A combined experimental and computational study on the melting behavior of a medium temperature phase change storage material inside shell and tube heat exchanger”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 39: 1416-1424, (2012).
  • [12] Li, W. and Kong, C., “Numerical study on the thermal performance of a shell and tube phase change heat storage unit during melting process”, Advances in Mechanical Engineering, 6: 1-7, (2014).
  • [13] Jmal, I. and Baccar, M., “Numerical study of PCM solidification in a finned tube thermal storage including natural convection”, Applied Thermal Engineering, 84: 320-330, (2015).
  • [14] Cano, D., Funéz, C., Rodriguez, L., Valverde, J.L. and Sanchez-Silva, L., “Experimental investigation of a thermal storage system using phase change materials”, Applied Thermal Engineering, 107: 264-270, (2016).
  • [15] ANSYS, Inc. Fluent Theory Guide, USA, November 28, Chp:21.1-14, (2008).
  • [16] Pahamli, Y., Hosseini, M.J., Ranjbar, A.A. and Bahrampoury, R., “Analysis of the effect of eccentricity and operational parameters in PCM-filled single-pass shell and tube heat exchangers”, Renewable Energy, 97: 344-357, (2016).
  • [17] Incropera, F.P. and Dewitt, D.P., “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, John Wiley Sons, New York, 303-577, (2003).
  • [18] Halıcı, F. and Gündüz, M., “Örneklerle ısı geçişi”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 126-168, (2007).
  • [19] Çengel, Y. A. and Cimbala, J. M. “Akışkanlar mekaniği temelleri ve uygulamaları” (çev.T. Engin, H. R. Öz, H. Küçük ve Ş. Çeşmeci), Güven Bilimsel Yayınevi, İzmir, 818-830, (2006).
  • [20] Eslamnezhad, H. and Rahimi, A.B., “Enhance heat transfer for phase-change materials in triplex tube heat exchanger with selected arrangements of fins”, Applied Thermal Engineering, 113: 813-821, (2017).
There are 20 citations in total.

Details

Primary Language Turkish
Subjects Engineering
Journal Section Research Article
Authors

Meltem Koşan

Mustafa Aktaş This is me

Publication Date June 1, 2018
Submission Date October 2, 2016
Published in Issue Year 2018 Volume: 21 Issue: 2

Cite

APA Koşan, M., & Aktaş, M. (2018). Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi. Politeknik Dergisi, 21(2), 403-409. https://doi.org/10.2339/politeknik.389594
AMA Koşan M, Aktaş M. Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi. Politeknik Dergisi. June 2018;21(2):403-409. doi:10.2339/politeknik.389594
Chicago Koşan, Meltem, and Mustafa Aktaş. “Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi”. Politeknik Dergisi 21, no. 2 (June 2018): 403-9. https://doi.org/10.2339/politeknik.389594.
EndNote Koşan M, Aktaş M (June 1, 2018) Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi. Politeknik Dergisi 21 2 403–409.
IEEE M. Koşan and M. Aktaş, “Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi”, Politeknik Dergisi, vol. 21, no. 2, pp. 403–409, 2018, doi: 10.2339/politeknik.389594.
ISNAD Koşan, Meltem - Aktaş, Mustafa. “Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi”. Politeknik Dergisi 21/2 (June 2018), 403-409. https://doi.org/10.2339/politeknik.389594.
JAMA Koşan M, Aktaş M. Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi. Politeknik Dergisi. 2018;21:403–409.
MLA Koşan, Meltem and Mustafa Aktaş. “Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi”. Politeknik Dergisi, vol. 21, no. 2, 2018, pp. 403-9, doi:10.2339/politeknik.389594.
Vancouver Koşan M, Aktaş M. Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi. Politeknik Dergisi. 2018;21(2):403-9.