Faz değiştiren malzeme ile ısıl depolamanın sayısal modellenmesi
Numerical modeling of heat storage with phase change material
- Tez No: 689551
- Danışmanlar: PROF. DR. GALİP TEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı Proses Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Endüstride oluşan atık ısı, güneşin sağladığı doğrudan ısı ve ısı pompalarının avantajlı koşullarda ürettiği ısı enerji kaynaklarından sağlanan ısıl enerjiyi geri kazanmak amacıyla ısıl depolama (ID) sistemlerin kullanımı ve geliştirilmesi, enerji ekonomisi ve çevre değerleri bakımından gün geçtikçe önemi artmaktadır. Faz değiştiren maddenin (FDM) ergime evrelerindeki kinetiğin belirlenmesi, ID sistemlerin ısı tekniği ve ekonomisi yönünden optimum tasarımın gerçekleşmesinde oldukça önemli olduğu düşünüldü. FDM'nin faz değişim sırasında gelişen evreleri, ısı iletim denklemleri ile tanımlanarak incelendi. Türdeş, hareketsiz ve silindir geometrideki katı FDM'nin matematik modeli, silindirik koordinatlarda (r) bir boyutlu, (t) zamana bağlı, homojen olmayan, kararsız, eliptik kısmi türevli diferansiyel denklemle ifade edildi. Ergime evreleri için geliştirilen ısı iletim denklemleri sonlu farklar yöntemi ile sayısal (lineer) biçimde yazıldı. Sayısal notasyonlu denklemler MATLAB\R2017a2 programında kodyazımı ile çözüm algoritmasına dönüştürüldü. Literatürde bilinen bir deneysel çalışmanın termofiziksel ve ısıl koşullarına ait verileri, elde edilen çözüm algoritmasında kullanılarak Matlab'de çözüldü. Çözüm kümesinden elde edilen verilerle ergime oranının zaman göre maksimum–minimum değerleri belirlendi. Burada, toplam ergime süresi, boyutsuz arayüz'ün (S+) ergime evre sayıları, evrelerin bulunduğu konumları, her bir arayüz evresinin ergime süreleri, açığa çıkan ergime ısı enerjileri ve sıcaklık değişimleri, η boyutsuz yarıçapa bağlı sıcaklık değişimleri ve ısı enerji üretimi hesaplandı. Isıl enerjinin değişimi ergime süreci ile birlikte değerlendirildi. (S+)2–(S+)1 arayüz aralığında 0.426 (%46) oranı ile en hızlı ergimenin gerçekleştiği görüldü. (S+)5 arayüz noktasından itibaren ergimenin 1/10.000 oranı kadar yavaşladığı hesaplandı. (S+)3 arayüz noktasında t=0.29 saatte ergimenin 0.86 (%86) oranına ulaştığı bulundu. (β) Boyutsuz ısıl enerji sayısının (η) yarıçap eksenine göre değişiminden elde edilen hesaplara göre optimum ısıl deponun (η7=0.778–0.89) aralığında gerçekleştiği, boyutsuz enerji sayısının ise β=00312 olduğu görüldü. R0=0.01 m yarıçapındaki FDM'nin β=00312 boyutsuz enerji sayısının gerçek enerji karşılığı, 486 J kadar ısı enerjisi olduğu hesaplanarak bu değer kadar ısı enerjisi depolandığı belirlendi. Burada optimum (η;β) koordinatının, optimum ergimenin arayüz evre (S+)3=0.86 sayısına karşılık geldiği anlaşıldı. Böylelikle, hem η boyutsuz yarıçapta, hemde (S+) boyutsuz arayüzde optimum sonuçların birbirine yakın olduğu test edildi. Bu sonuçlara göre, ergime sürecindeki evrelerin davranışına ait sayısal hesapların belirlenmesi, optimum ısıl depo tasarımında belirleyici olduğunu ortaya konuldu.
Özet (Çeviri)
The importance of to develope thermal energy storage (TES) systems in order to recover thermal energy from the sources such as waste heat generated in the industry, direct heat provided by the sun, and heat generated by heat pumps when working at advantageous times, is increasing in terms of energy economy and environmental values nowadays. Determination of the melting phases kinetics of PCM is priority in order to perform an optimum design for TES systems in terms of heat technique and economy. In this thesis, phase change steps of the PCM are defined and analyzed by heat conduction equations. The mathematical model of homogeneous, immobile and cylindrical geometry solid FDM is expressed in cylindrical coordinates (r) with a dimensional, (t) time dependent, inhomogeneous, unstable, elliptical partial differential equation. The developed heat conduction equations for the melting phases were written numerically (linearly) using the finite difference method. Numerical notation equations were converted to solution algorithm by coding in MATLAB \ R2017a2 program. The data of an experimental study whose thermophysical properties and thermal conditions are known were solved in Matlab by using the obtained solution algorithm. The maximum-minimum values of the melting rate over time were determined using the data obtained from the solution set. In this context, the total melting time, the number of melting phases of the dimensionless interface (S+), the locations where the phases are located, the melting times of each interface phase, the melting heat energies and temperature changes that occur, the temperature changes depending on the dimensionless radius (η) and heat energy production were calculated. The change of thermal energy was evaluated with the melting process. The fastest melting was observed at (S+)2–(S+)1 interface as 0.426 (42.6%). It was calculated that the melting slowed down by 1/10.000 after the (S+)5 interface point. It was found that the melting rate reached to 0.86 (86%) at (S+)3 interface point while t = 0.29 hours. According to the calculations obtained from the change of the dimensionless thermal energy number (β) with respect to the radius axis (η), it was observed that the optimum thermal storage took place in the range of (η7=0.778–0.89) while the dimensionless thermal energy number was β = 00312. It was determined that PCM with R0=0.01 m radius stored 486 J real energy equivalent of dimensionless thermal energy number β = 00312. It was understood that the optimum (η; β) coordinate corresponds to the number of interface melting interface (S+)3=0.86. Thus, it wastested that the optimum results are close to each other both in the dimensionless radius (η) and in the dimensionless interface (S+). According to these results, it was revealed that determining the behaviors of the phases in the melting process by numerical methods is priority forthe optimum thermal storage design.
Benzer Tezler
- Faz değiştiren malzemeler (FDM) ile ısıl enerji depolamanın araştırılması: Doğrudan kullanım ve hidrojen depolama uygulaması
Investigation of thermal energy storage with phase change materials (PCMs): Direct usage and hydrogen storage application
BÜŞRA ARSLAN
Doktora
Türkçe
2024
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
- Isıl enerji depolamalı yeni bir güneş enerjisi destekli ısı pompasının sayısal ve deneysel analizi
Numerical and experimental analysis of a new solar assisted heat pump with thermal energy storage
MELTEM KOŞAN
Doktora
Türkçe
2021
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
- Thermal energy storage with nanoparticle embedded phase change materials
Nanoparçacık gömülü faz değişim malzemesi ile termal enerji depolama
RAMAZAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT
- Duvar ve çatı elemanlarında faz değiştiren malzeme kullanımına dayalı ısıl performansın farklı iklim koşullarına bağlı olarak değerlendirilmesi
Evaluation of the thermal performance based on the use of phase change materials in wall and roof components depending on different climate conditions
MERVE ANAYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İKBAL ÇETİNER
- Preparation and characterization of paraffin and polyethylene glycol based phase change materials for white good applications
Beyaz eşya uygulamaları için parafin ve poliethilen glikol bazlı faz değiştiren malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
NİLÜFER ERTUNÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
DR. YUSUF YUSUFOĞLU