Faz Değiştiren Malzemelerle Termal Enerji Depolayan Bir Isı Değiştiricisinin Sayısal Analizi

Yıl 2018, Cilt: 21 Sayı: 2, 403 - 409, 01.06.2018

Meltem Koşan Mustafa Aktaş

https://doi.org/10.2339/politeknik.389594

Cited By: 4

Öz

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.  

Anahtar Kelimeler

Termal enerji depolama, faz değiştiren malzemeler, erime süresi

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

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

Thermal energy storage, phase change materials, melting time

Kaynakça

• [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).