BİR ISIL ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMİNDE GALYUM FAZ DEĞİŞTİREN MALZEMESİNİN KULLANIMININ SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

Abstract

Bu çalışmada, faz değiştiren madde olarak Galyum kullanılan bir ısıl enerji depolama sisteminde, Galyumun erime davranışları ve ısıl performansı incelenmiştir. Bu amaçla, öncelikle içi içe geçmiş, eş merkezli iki dairesel borudan oluşan temel bir model geometrisi belirlenmiştir. Bu modelin iç borusundan su geçtiği, iki boru arasında kalan bölgenin ise faz değiştiren malzeme ile dolu olduğu düşünülmüştür. Bu temel geometride, iç borunun kesit geometrisinin eliptikliği değiştirilerek farklı yeni model geometriler oluşturulmuştur. Bu kapsamda, farklı model geometrileri ve farklı su giriş sıcaklıkları için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yardımı ile zamana bağlı analizler yapılmıştır. Analizlerden elde edilen veriler aracılığı ile, doğal taşınımın ve akışkan giriş sıcaklığının erime davranışı üzerindeki etkileri belirlenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, ısı transfer akışkanının giriş sıcaklığı arttıkça Galyumun erime süresinin azaldığı belirlenmiştir. İç borunun kesit geometrisinin eliptikliği arttıkça, erime hızının arttığı dolayısıyla erime süresinin kısaldığı gözlemlenmiştir. En iyi ısıl performans eliptikliğin en fazla olduğu Model-5’te elde edilmiştir. Model-5 in erime süresi Model-2’ye oranla, akışkan giriş sıcaklığı 65 oC, 70 oC ve 75 oC olduğu durumlar için sırasıyla %34,06, %33,92 ve %30,91 kadar kısaldığı belirlenmiştir.

Keywords

• Faz değiştiren malzeme
• FDM
• Galyum
• Enerji depolama

Analysis of Gallium Phase Changing Material in a Thermal Energy Storage System

Abstract

In this study, the melting behavior and thermal performance of gallium as a phase changing material is investigated in a thermal energy storage system. For this purpose, a fundamental model geometry as an annular is determined. This model is assumed to have water flow on the inner pipe and phase changing material inside the gap between two pipes. Different new model geometries are created from this fundamental model by changing the cross-section geometry elliptic of the inner pipe. Within this scope, time-based analysis is conducted with Computational Fluid Dynamic for different model geometries and different water input temperature values. By using the data obtained from the analysis, the effects of natural convection and fluid input temperature on the melting behavior are investigated. As a result, it is found that the gallium melting duration decreased as the input temperature of thermal transfer increased. It is observed that melting speed increased and therefore, melting duration decreased as the ellipticity of the inner pipe cross-section geometry increased. The best thermal performance was obtained in Model-5 with the highest ellipticity. Compared to Model-5 and Model-2, melting times for 65 oC, 70 oC and 75 oC were shortened by 34.06%, 33.92% and 30.91% respectively.

Keywords

• Phase changing material
• PCM
• Gallium
• Energy storage

References

1. Assis, E., Katsman, L., Ziskind, G., Letan, R., 2007, “Numerical and experimental study of melting in a spherical Shell”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, No. 9–10), pp. 1790-1804.
2. Bouhal, T., Fertahi, S.D., Kousksou, T., “Jamila, A., 2018, CFD thermal energy storage enhancement of PCM filling a cylindrical cavity equipped with submerged heating sources”, Journal of Energy Storage, Vol. 18, pp. 360-370.
3. Cao, X., Yuan, Y., Xiang, B., Haghighat, F., 2018, “Effect of natural convection on melting performance of eccentric horizontal shell and tube latent heat storage unit”, Sustainable Cities and Society, Vol. 38, pp. 571-581.
4. Darzi, A.A.R., Jourabian, M., Farhadi, M., 2016, “Melting and solidification of PCM enhanced by radial conductive fins and nanoparticles in cylindrical annulus”, Energy Conversion and Management, Vol. 118, pp. 253-263
5. Deng, S., Nie, C., Wei, G., Ye, W.B., 2019, “Improving the melting performance of a horizontal shell-tube latent-heat thermal energy storage unit using local enhanced finned tube”, Energy and Buildings, Vol. 183, pp. 161-173.
6. Ji, C., Qin, Z., Low, Z., Dubey, S., Choo, F.H., Duan, F., 2018, “Non-uniform heat transfer suppression to enhance PCM melting by angled fins”, Applied Thermal Engineering, Vol. 129, pp. 269-279.
7. Longeon, M., Soupart, A., Fourmigué, J.F., Bruch, A., Marty, P., 2013, “Experimental and numerical study of annular PCM storage in the presence of natural convection”, Applied Energy, Vol. 112, pp. 175-184.
8. Pahamli, Y., Hosseini, M.J., Ranjbar, A.A., Bahrampoury, R, 2016, “Analysis of the effect of eccentricity and operational parameters in PCM-filled single-pass shell and tube heat exchanger”, Renewable Energy, Vol. 97, pp. 344-357.

9. Tao, Y.B., Liu, Y.K., He, Y.L., 2017, “Effects of PCM arrangement and natural convection on charging and discharging performance of shell-and-tube LHS unit”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 115, No. B, pp. 99-107.
10. Wang, P., Yao, H., Lan, Z., Peng, Z., Huang, Y., Ding,Y., 2016, “Numerical investigation of PCM melting process in sleeve tube with internal fins”, Energy Conversion and Management, Vol. 110, pp. 428-435.
11. Yazici, M.Y., Avci, M., Aydin, O., Akgun, M., 2014, “On the effect of eccentricity of a horizontal tube-in-shell storage unit on solidification of a PCM”, Applied Thermal Engineering, Vol. 64, No. 1-2, pp. 1-9.