Performance Analysis of Paraffin-Graphite, Paraffin-Fin and Pure Paraffin Structures Used in Phase Change Energy Storage

Öz

Usage of Phase Change Materials (PCM) for storage of thermal energy is one of the most efficient methods to store thermal energy. The commercial paraffin, with a wide range of melting and solidification temperatures as well as moderate thermal storage densities, has been one of the most studied PCMs for thermal energy storage. Although the thermal storage capacity of paraffin PCMs are high, their low thermal conductivity limits the thermal charging/discharging rates considerably. The thermal conductivity of paraffin is enhanced by finned and paraffin-graphite structures. In this study, pure paraffin and thermally enhanced paraffin-graphite and paraffin-fin two-dimensional structures during thermal discharge are modeled. After modeling their thermal responses are compared with each other. The transient temperature distribution, total energy discharged and the rate of phase change are used as indicators in this comparison. The results show, considering both the thermal discharge rate and the storage capacities, that the thermal performance of paraffin-fin structures are superior to paraffin-graphite and the pure-paraffin structures.

Anahtar Kelimeler

• Paraffin,Graphite,Metal fin,Phase change material (PCM)

Faz Değiştirme ile Isı Depolamada Kullanılan Parafin-Grafit, Parafin- Kanatçık ve Saf Parafinli Yapıların Performans Analizi

Öz

Isıl enerjiyi depolamada Faz Değiştiren Maddelerin (FDM) kullanımı en verimli yöntemlerden biridir. Değişken aralıklı erime/katılaşma sıcaklığına ve ortalama ısı depolama yoğunluğuna sahip ticari parafin ısıl enerji depolamada en çok incelenen FDM’lerin başında gelir. Parafin FDM’ler yüksek ısı depolama kapasitelerine rağmen düşük ısı iletkenliklerinden dolayı sistemlerin ısıl şarj/deşarj hızını belirgin olarak sınırlamaktadır. Parafinin ısıl iletkenliğini iyileştirme amaçlı kanatçık ve parafin-grafit yapılar kullanılmaktadır. Bu çalışmada ısıl iletkenlikleri geliştirilmiş parafin-grafit, parafin-kanatçık ile saf parafinli iki boyutlu yapılar ısıl deşarj anında modellenerek ısıl performansları bakımından birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada yapıların zamana bağlı sıcaklık dağılımları, deşarj ettikleri toplam ısı miktarı ve faz değiştirme hızları belirleyici faktörler olarak kullanılmıştır. Sonuçlar, parafin-kanatçık yapıların ısıl performanslarının, yüksek ısı deşarj hızı ve ısı depolama kapasiteleri birlikte düşünüldüğünde, parafin-grafit ve saf parafin yapılarla karşılaştırıldığında daha gelişmiş olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Parafin,Grafit,Metal kanatçık,Faz değiştiren madde (FDM)

Kaynakça

1. 1. Farid, M.M., Khudhair, A.M., Razack, S.A.K., Al-Hallaj., S., 2004. A Review on Phase Change Energy Storage: Materials and Applications, Energy Conversion and Management, vol. 45, no. 9–10, 1597–1615.
2. 2. Sharma, S.D., Kitano, H., Sagara, K., 2004. Phase Change Materials for Low Temperature Solar Thermal Applications, Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ., vol. 29, 31–64.
3. 3. Rathod, M.K., Banerjee, J., 2013. Thermal Stability of Phase Change Materials Used in Latent Heat Energy Storage Systems: A Review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 18, 246–258.
4. 4. Sari, A., Karaipekli, A., 2008. Preparation, Thermal Properties and Thermal Reliability of Capric Acid/expanded Perlite Composite for Thermal Energy Storage, Mater. Chem. Phys., vol. 109, no. 2–3, 459–464.
5. 5. Zalba, B., 2003. Review on Thermal Energy Storage with Phase Change: Materials, Heat Transfer Analysis and Applications, Appl. Therm. Eng., vol. 23, no. 3, 251–283.
6. 6. Sciacovelli, A., Guelpa, E., Verda, V., 2014. Second Law Optimization of a PCM Based Latent Heat Thermal Energy Storage System with Tree Shaped Fins, Int. J. Thermodyn., vol. 17, no. 3, 127–136.
7. 7. Sciacovelli, A., Gagliardi, F., and Verda, V., 2015. Maximization of Performance of a PCM Latent Heat Storage System with Innovative Fins, Appl. Energy, vol. 137, 707–715.
8. 8. Nallusamy, N., Sampath, S., Velraj, R., 2006. Study on Performance of a Packed Bed Latent Heat Thermal Energy Storage Unit Integrated with Solar Water Heating System, J. Zhejiang Univ. Sci. A, vol. 7, no. 8,1422–1430.

9. 9. Singh, D., Zhao, W., Yu, W., France, D.M., Kim, T., 2015. Analysis of a Graphite Foam–NaCl Latent Heat Storage System for Supercritical CO2 Power Cycles for Concentrated Solar Power, Sol. Energy, vol. 118, 232–242.
10. 10. Kim, T., France, D.M., Yu, W., Zhao, W., Singh, D., 2014. Heat Transfer Analysis of a Latent Heat Thermal Energy Storage System using Graphite Foam for Concentrated Solar Power, Sol. Energy, vol. 103, 438–447.
11. 11. Moeini Sedeh, M., Khodadadi, J.M., 2013. Thermal Conductivity Improvement of Phase Change Materials/graphite Foam Composites, Carbon N. Y., vol. 60, 117–128.
12. 12. Haillot, D., Py, X., Goetz, V., Benabdelkarim, M., 2008. Storage Composites for the Optimisation of Solar Water Heating Systems, Chem. Eng. Res. Des., vol. 86, no. 6, 612–617.
13. 13. Haillot, D., Nepveu, F., Goetz, V., Py, X., Benabdelkarim, M., 2012. High Performance Storage Composite for the Enhancement of Solar Domestic Hot Water Systems. Part 2: Numerical System Analysis, Sol. Energy, vol. 86, no. 1, 64–77.
14. 14. Haillot, D., Goetz, V., Py, X., Benabdelkarim, M., 2011. High Performance Storage Composite for the Enhancement of Solar Domestic Hot Water Systems. Part 1: Storage Material Investigation, Sol. Energy, vol. 85, no. 5, 1021–1027.
15. 15. Mills, A., Farid, M., Selman, J.R., Al-Hallaj, S., 2006. Thermal Conductivity Enhancement of Phase Change Materials Using a Graphite Matrix, Appl. Therm. Eng., vol. 26, no. 14–15, 1652–1661.