Experimental investigation of thermal energy storage using phase change material in a rectangular box containing aluminum foam
Alüminyum köpük bulunan dikdörtgen kutuda faz değiştirme malzemesi kullanılarak ısıl enerji depolamasının deneysel olarak incelenmesi
- Tez No: 858806
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Isıl Enerji Depolama, ısı geri kazanım sistemlerinin ve enerji kullanımının optimize edilmesinde hayati bir rol oynamaktadır. Isıl enerji depolama uygulamalarında, faz değişim malzemeleri (PCM) sistemin ana bileşenleridir. Parafin mumları, özellikle düşük sıcaklıkta ısıl enerji depolama sistemlerinde faz değişim malzemesi olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, organik bir malzeme olan parafin, düşük termal iletkenliğe sahiptir ve bu, ısıl enerji depolama sürecinin verimliliğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu malzemelerin ısıl iletkenliğini artırmak için nanopartiküllerin eklenmesi, gözenekli ortamların kullanılması, kanatlı ısıtıcıların kullanılması gibi çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Bu çalışmada, faz değiştirme malzemesi kutusundaki alüminyum köpük parçalarının sayısının erime ve katılaşma süreçleri üzerindeki etkisini değerlendirmek için deneysel bir çalışma yapıldı. Parafin RT57'nin faz değişim malzemesi ve alüminyum köpükten oluşan kompozit sistemin termal iletkenliğini artırmayı amaçladık. Gözenekli ortamlı ve gözenekli ortamsız faz değişim malzemesi kombinasyonları karşılaştırılarak dikdörtgen kutu içindeki gözenekli malzemelerin kullanımının zaman tasarrufuna etkisi incelendi. Araştırma, üç farklı su giriş sıcaklığına sahip, saf faz değişim malzemeli ve farklı metal köpük parçalarıyla kombine edilmiş faz değişim malzemeli olmak üzere on iki farklı durumu kapsamaktadır. Deneyde kullanılan alüminyum metal köpüğün gözenekliliği %89 ve termal iletkenliği 180 W/mK'dır. Araştırmada dikdörtgen kutuyu doldurmak için, 89% gözenekliliğe ve 10 PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum metal köpük kullanılmıştır. Metal köpüğün gözenekliliği, köpüğün ağırlığı ve alüminyumun yoğunluğu üzerinden yapılan deneysel ölçümlerle belirlenmiş, gözenek yoğunluğu değeri üretici tarafından sağlanmıştır. Metal köpük içeren deneyi başlatmak için, üç metal köpük parçası PCM kutusuna yerleştirildi. Bu kutu daha sonra dikdörtgen alüminyum su kanalının üzerine yerleştirildi. Ardından, sıvı PCM dikkatlice PCM kutusuna döküldü, böylece metal köpüğün gözeneklerinden tamamen geçtiği garanti edildi. Bu çalışmada, erime süreci 85°C, 80°C ve 75°C su sıcaklıklarında üç farklı sıcaklıkta incelendi. Ayrıca, katılaşma süreci için 20°C ve 10°C'de iki ayrı deney yapıldı. Dikdörtgen kutuda parafin RT57 içeren metal köpük kompozitlerinde sıcaklık değişikliklerini ve ısı geçişini incelemek amaçlandı. Deneyler, hem su banyosunun hem de Keithley sıcaklık ölçüm cihazının aynı anda etkinleştirildiği 24 derece Celsius başlangıç ortam sıcaklığında başlatıldı. Yüzey sıcaklığı (Ts), alt yüzeyden kaydedilen altı sıcaklığın aritmetik ortalaması olarak tanımlanmıştır. Bu yöntem, metal levhanın yüzeyindeki çeşitli konumlar arasındaki sıcaklık farkı düşük olduğu için, erime ve katılaşma süreci sırasında sıcaklık dağılımının tek bir sıcaklık değeri kullanılarak analiz edilmesine olanak tanır. Bu araştırmada, sıcaklıkları kaydetmek için K tipi (Krom-Alüminyum) termokupllar kullanılmıştır. Ayrıca, 35 mm x 28 mm ölçülerinde düz bir ısı akısı sensörü, PCM kutusunun tabanı ile sıcak su kanalı arasına yerleştirilmiştir. Bu deney için kutuları saf parafin ve bir ila üç kat metal köpük içeren dört kategoriye ayırdık. Parafin RT57, 56-58 °C sıcaklık aralığında erimeye başlar. Bu nedenle, herhangi bir termokuplda sıcaklık 58 °C'yi geçtiğinde, erimenin o noktada tamamlandığı söylenebilmektedir. Çalışma aynı zamanda, yalnız bir metal köpük katmanı içeren durum (durum I) için farklı giriş suyu sıcaklıklarının etkisini de incelemektedir. Elde edilen sonuçlar, parafinin metal köpük içeren bölgelerde (T7 (y=3 mm) ile T10 (y=6 mm) arası) erime noktasına daha hızlı ulaştığını göstermektedir. Bu çalışma ikinci olarak, kutunun giriş sıcaklığının erime süresi üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır. Giriş sıcaklığı arttıkça, erime süresi de uzamaktadır. Durum I için kaydedilen erime süresi, PCM kutusunun yüzeyindeki T13 termokuplının 57°C erime noktasına ulaştığı an olarak tanımlanmıştır. Bu çalışmada, farklı su giriş sıcaklıkları olan dört farklı durum için erime süreleri özetlenmektedir. Sonuçlar, ekstra metal köpük parçalarının eklenmesinin erime süresini azalttığını göstermektedir. Üç metal köpük katmanı ve 85°C giriş suyu sıcaklığı olan üçüncü durum, olumlu bir ısı transferi performansı sergilemektedir. Metal köpüklerin eklenmesinin erime için gereken süreyi önemli ölçüde azalttığı açıktır; yalnız bir metal köpük katmanı olan durum için bu, saf parafine göre farklı giriş suyu sıcaklıkları için (Ti = 85°C, 80°C, 75°C) sırasıyla %5.1, %3.1 ve %2 artış anlamına gelir. İki metal köpük katmanı olan durum için bu oranlar %11.9, %7.9 ve %6.1 iken, üç metal köpük katmanı olan durum için %18.7, %13.3 ve %10.6'dır. Ayrıca, giriş suyu sıcaklığı 85 °C olan dört farklı durum için erime deneyi sırasında seçilen iki farklı zaman aralığındaki sıcaklık değişimi gösterilmiştir. Sıcaklık değişimi metal levha üzerindeki T7 noktası ile metal köpüğün yüzeyindeki T10 noktası arasında ölçülür. Metal köpüklerin kullanıldığı durumlarda (durum i, ii, iii), sıcaklık profillerinin, saf parafin kullanılan durum iv'e kıyasla sıcaklık değişimlerinin daha az olduğu görülmektedir. Bir ila üç kat metal köpük içeren durumlarda metal köpüksüz saf parafin durumlarına göre daha homojen sıcaklık profilleri elde edildiği gözlemlendi. Bu sonuçlar neticesinde metal köpüğün ısıl iletkenliği arttırdığı sonucuna ulaşılmıştır. Erime deneyinin başlangıç aşamalarında ısı transfer hızında belirgin bir artış gözlemlenir. Bu artış, erimenin ilk aşamalarında baskın bir rol oynayan ısı iletimine bağlanabilir. Bu fenomen, alüminyum metal levha ile katı parafin arasındaki sıcaklık gradyanından kaynaklanır ve deneyin başlangıcında sıcaklık seviyelerinin öncelikle iletim yoluyla artmasıyla gerçekleşir. Parafinin ilk tabakası erimeye başladığında, taşınımla ısı geçişi sistemi yöneten baskın faktör haline gelir. Sıvılaşan parafin, yukarı doğru kaldırma kuvveti oluşturarak katı parafinin üst kısmının erimesini başlatır. Sonuç olarak, sıvı parafinin sıcaklığı erime noktasına yaklaştıkça, dikdörtgen kutu ile metal levha arasındaki arayüzdeki sıcaklık farkı azalır. Kutuya ikinci ve üçüncü metal köpükleri eklemek, sistemin içinde daha homojen bir ısı transferini teşvik eder. Bununla birlikte, bu artan iletkenlik erime sürecini hızlandırır, daha az metal köpük parçası olan durumlarla karşılaştırıldığında metal levha ve tüp boyunca sıcaklık gradyanlarında daha hızlı bir azalmaya yol açar. Ayrıca, bu hızlanan süreç daha hızlı bir ısı akısı difüzyonuna neden olur ve nihayetinde daha homojen bir ısı dağılımına katkıda bulunur. Faz Değişim Malzemeleri, erime sürecinde enerji saklama konusunda temel bir rol oynar. Erime deneyi boyunca hem duyulur hem de gizli ısıl enerjiyi içeren toplam enerji miktarını belirlemek için, hem sıvı hem de katı haldeki metal köpük ve parafin fazlarındaki enerjiyi hesaplamak önemlidir. Bu kapsamlı enerji depolama, matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir: E=m_s c_ps (T_m-T_i )+λL+m_l c_pl (T_o-T_m )+m_MF c_pMF (T_o-T_i ) (1) Burada, Denklem (1) içindeki semboller ms, ml ve mMF sırasıyla katı parafinin kütlesi, sıvı parafinin kütlesi ve metal köpüğün kütlesini temsil eder. Ek olarak, Ti başlangıç sıcaklığını, ve Tm Faz Değişim Malzemesinin (PCM) erime sıcaklığını belirtir. Denklem (1) içinde kullanılan tüm sıcaklıklar ve kütle, erime ve katılaşma deneyleri sırasında yapılan ölçümlerle deneysel olarak belirlenmiştir. Sıvı oranı (λ) aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanmıştır: λ={█(0@(T-T_s)/(T_l-T_s )@1)┤ If T < Ts (2) If Ts < T < Tl If T > Tl Parafin RT57, 55-57 °C sıcaklık aralığında katılaşır. Bu nedenle, sıcaklığın 57 °C'yi geçtiğinde her termokupl konumunda katılaşmanın tamamlandığı öngörülebilir. Katılaşma sürecini kolaylaştırmak için, erime deneyinin 85 °C'de tamamlanmasının ardından 85 °C'deki su banyosu çıkartılıp 10 veya 20 °C'de ikincil bir su banyosu bağlanmıştır. Katılaşma deneyi, kutu içindeki faz değişim malzemesinin tam sıvılaştırılmasının ardından hemen başlatılmıştır, çünkü katılaşma deneyi için belirli bir başlangıç sıcaklık parametresi yoktur. Soğuk su banyosunun devreye girmesinden önce, veri toplama sistemi aracılığıyla, PCM ve metal köpük içerisindeki sıcaklık verileri kaydedildi. Katılaşma sürecinde metal köpük katmanlarının sayısının etkisi, artan metal köpük sayısının daha homojen bir ısı dağılımına katkıda bulunduğunu göstermektedir. Ayrıca katılaşma sürecinde zaman tasarrufu için yapılan analiz, Ti = 10 °C giriş suyu sıcaklığıyla üç metal köpük kullanmanın (durum iii), durum ii ve durum i'ye göre önemli bir ısı geçişi iyileştirmesi getirdiğini göstermektedir. Bu, aynı giriş suyu sıcaklığı için sırasıyla %32.5 ve %12.7 iyileşme sağlar. Ek olarak, Ti = 20 °C giriş suyu sıcaklığı için, durum i, durum ii ve durum iii için zaman tasarrufu sırasıyla %10.1, %28.1 ve %32.6 olarak tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Thermal Energy Storage plays a pivotal role in optimizing heat recovery systems and energy usage. In thermal energy storage applications, Phase Change Materials (PCM) are the primary components of the system. Paraffin waxes are commonly chosen as the phase change materials, particularly in low-temperature thermal energy storage systems. However, paraffin, being an organic material, exhibits low thermal conductivity, which significantly affects the efficiency of the thermal energy storage process. Indeed, there are various methods to enhance these materials' thermal conductivity, including adding nanoparticles, utilizing porous mediums, employing finned heaters, and more. In this study, a rectangular box was carried out by an experimental study to evaluate the effect of the number of aluminum foam pieces in a phase change material box on the melting and solidification processes. We aimed to enhance the thermal conductivity of the composite system comprising paraffin RT57 as the phase change material and aluminum foam. We compared the time-saving benefits of using porous materials in combination with the phase change material, both with and without porous media, within a rectangular box. The investigation involved twelve different cases, including cases with pure phase change material and phase change material coupled with one to three pieces of metal foam, each subjected to three different water inlet temperatures. Our findings indicate that the most significant time savings were achieved when three metal foam pieces were added. The enhancement in time savings for three metal foams was notable, with improvements of 10.6%, 13.3%, and 18.7% compared to the case using pure paraffin at water inlet temperatures of 75°C, 80°C, and 85°C, respectively, during the melting process. In addition, the presence of metal foams in cases with one to three layers of metal foam results in significantly more uniform temperature profiles compared to pure paraffin cases, without metal foam. This improvement has been attributed to the increased effective thermal conductivity achieved by incorporating metal foam. Furthermore, during the solidification process, the maximum time savings were observed in the case of three metal foams, with reductions of 37.7% and 32.6% compared to the pure paraffin case at inlet temperatures of 10°C and 20°C, respectively. These results highlight the substantial benefits of incorporating metal foams in the phase change material for efficient heat storage and release. Like the melting process, in the solidification process, the case with metal foam shows a more uniform temperature compared to pure paraffin.
Benzer Tezler
- Hava akışkanlı güneş kollektöründe faz değiştiren malzemenin ısıl performansının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the thermal performance of phase change material in a solar air collector
YUNUS ERKAM ÖZSELÇUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiErciyes ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL ATA
- Helisel kanatlı ısıtıcı bulunan silindirik kapta faz değiştiren madde ile ısıl enerji depolanmasının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of thermal energy storage with phase change material embedded with helical finned heater inside a cylindrical container
TOLGA ALTINOLUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Düşey mantolu sıcak su tanklarında faz değiştiren malzeme kullanımının etkisinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the effect of phase change material on the vertical mantled hot water tank
AHMET ÖZBEKLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECDET ALTUNTOP
DR. ÖĞR. ÜYESİ DOĞAN ERDEMİR
- Güneş enerjili hava kollektöründe gizli ve duyulur ısı enerjisi depolamanın deneysel incelenmesi
Experimental investigation of thermal energy storage with latent and sensible heat in solar air collector
ARİF KAYAPUNAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiManisa Celal Bayar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MESUT ABUŞKA
- Fotovoltaik termal (FV/T) sistemlerde nanoakışkanlı ısı borusu ve faz değiştiren madde (FDM) kullanımının deneysel olarak araştırılması
Experimental investigation of using both nanofluid-filled heat pipe and phase change material (PCM) in photovoltaic thermal (PV/T) systems
MELİSA ERGENE
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiFırat ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ESEN