Geri Dön

Improvement of the energy efficiency of a trombe wall using nano enhanced phase change material

Nano geliştirilmiş faz değişim malzemesi kullanılarak trombe duvarının enerji verimliliğinin iyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 882105
  2. Yazar: NAZLICAN MEÇO
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. COŞKUN FIRAT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 83

Özet

Faz değişim malzemeleri, özellikle ısı enerjisi depolaması için inşaat endüstrisinde birçok farklı sektörde kullanılmaktadır. Pasif güneş sisteminin performansını artırmak ve soğutma ve ısıtma enerjisine olan talebi azaltmak için birçok araştırma yapılmıştır. Bina endüstrisi küresel enerjinin %30-40'ını tüketir ve bu enerjinin yaklaşık yarısı binalarda maksimum konfor için ısıtma ve soğutmayı sürdürmek üzere kullanılır. Trombe duvarları, enerji tüketimini azaltmak için yaygın olarak kullanılır. Enerji kinetik, mekanik ve kimyasal enerji gibi farklı şekillerde depolanabilir. Termal enerji depolama, soğutma, ısıtma ve buharlaştırma yoluyla enerji depolamayı içerir. Termal enerji depolama, gizli ısı, hissedilir ısı ve kimyasal reaksiyon ısısı olarak kategorize edilebilir. Gizli ısı termal enerji sistemi, yüksek depolama yoğunluğu, minimum sıcaklık dalgalanmaları ve şarj ve deşarj dönemlerinde izotermal özellikleri nedeniyle daha çok tercih edilir. Trombe duvarı, güneş enerjisi toplamak için daha yüksek termal kapasiteye sahip malzemeler ve uzun enerji depolama kapasitesine sahip malzemeler kullanılarak inşa edilmiştir. Araştırmacılar, Trombe duvar performansını iyileştirmek için birçok tasarım sundu. Çeşitli tasarımlardan biri, Trombe duvar tasarımında faz değiştirme malzemelerini kullanmaktır. Güneş radyasyonundan elde edilen ısıyı korumak ve geceleri yapıyı ısıtmak için kullanmak verimi arttırmaktadır. Trombe duvarı, güneş enerjisi kullanarak binalar için ısıtma ve soğutma enerjisi sağlama potansiyeline sahiptir. Çevresel ve ekonomik faydaları nedeniyle, verimliliğini artırmak için birçok çalışma gerçekleştirilir, bu nedenle geleneksel Trombe duvar tasarımı değiştirilmiştir ve birçok Trombe duvar türü oluşturulmuştur. Faz değiştiren malzemeler (PCM), çeşitli durumlarına bağlı olarak katı-sıvı, sıvı-gaz, katı-katı ve katı-gaz PCM'leri olarak sınıflandırılabilir. Bunlar arasında, katı-sıvı PCM'ler, geniş faz geçiş sıcaklıkları aralığı, yüksek gizli faz geçişi ısısı ve düşük fiyat nedeniyle en popüler olanlardır. Organik PCM'lerin faz geçiş sıcaklığı genellikle stabil olduğundan ve fazların daha az ayrılması, yetersiz soğutma ve korozyon açısından inorganik PCM'lerden daha iyi performans gösterdiğinden, bunlar düşük sıcaklıklı termal üretimde sıklıkla kullanılır. Parafin ve parafin dışı (yağ asitleri, alkoller, lipidler ve bunların türevleri) en yüksek miktarda organik PCM oluşturur. Bu çalışmada faz değişim materyali olan bir trombe duvarının farklı bir tasarımı değerlendirilmektedir. Faz geçiş malzemesinin performansını artırmak için, enerji transferi sürecini hızlandırmak üzere yüksek termal iletkenliğe sahip nano geliştirilmiş faz değiştiren malzemeler (NePCM) seçilmiştir. Geri dönüştürülebilir, ekonomik olarak etkili, kimyasal olarak stabil ve geniş bir sıcaklık aralığına sahip olan organik paraffin PCM kategorisinde, N-oktadekan faz değişim materyali olarak seçilmiştir. NePCM için Genişletilmiş Grafit (EG) nano genişlemeli n-oktadekan seçilmiştir. Bu çalışmada incelenmekte olan yapı yaklaşık 15,5 m2 alana, dört dış duvara, zemin kata ve çatıya sahip küçük bir odadır. Güney tarafında, Trombe duvarının (TW) üzerinde bir pencere bulunur. Hem konum hem de işlev mekanizması açısından orijinal bir kurulum olan Trombe duvarlı 2D oda tasarımı kullanılmıştır. TW, pirolitik grafit ve n-oktadekan/EG (Genişletilmiş Grafit) NePCM ile üretilmiştir. Bu tasarımın çeşitli avantajları bulunduğundan araştırma konusu haline getirir. Örneğin, literatürde incelenen diğer TW formlarından ayıran ventilasyon boşluğu yoktur. İkinci olarak, hem oda boyunca ısıyı taşıyabilen hem de geceleri kullanmak için PCM'de enerji depolama sağlayan bir hibrit duvar teknolojisi önermektedir. Güneş radyasyonuyla ısı kazanımını artırmak için yüksek termal iletkenliğe sahip olması nedeniyle Trombe duvar malzemesi olarak pirolitik grafit seçilmiştir. Sonlu Eleman Yöntemi simülasyonları Trombe duvar modelinde gerçekleştirilir. İstanbul'da yıllık ortalama küresel güneş radyasyonu 1612 kWs/m2.yıl ve yıllık ortalama güneş ışığı süresi 2446 saattir. Bu değerler Türkiye'deki çoğu şehirde görece düşüktür. İstanbul, Türkiye hava durumu verileri toplanmıştır. Hesaplamalar için ortalama aylık güneş radyasyonu, gün ışığı saatleri, ortam sıcaklığı ve rüzgar hızı kullanılmıştır. İlk oda sıcaklığı 18°C olarak ölçülmüştür. Bazı varsayımlar, aşağıda ayrıntıları verilen ısı transferi ilkelerine dayalı olarak yapılır: Pirolitik grafitin düzlem içinde yüksek bir termal iletkenliğe ancak düzlem boyunca düşük bir iletkenliğe sahip olması nedeniyle, bu modelde düzlem içi iletken bir malzeme olarak kullanılması beklenmektedir. Malzemelerin özellikleri sabit olarak kabul edilir. n-oktadekan/EG'nin yoğunluğu, nano geliştirme yüzdesi malzemede çok düşük olduğu için n-oktadekana eşit olarak alınır. Simülasyonlar, en soğuk 7 ay seçilerek; oda, NePCM ve Trombe duvar ortalama sıcaklıkları ölçülmüştür. İlk simülasyonda umut verici bulgularla birlikte Nano geliştirilmiş Faz Değişim Materyali (NePCM), özellikle n-oktadekan/EG kullanılmıştır. Hava ve güneş verilerini içeren simülasyonlar yoluyla oda sıcaklığında bir artış gözlemlenmiştir. Aralık, Ocak ve Şubat ayları sırasıyla 19,57°C, 19,23°C ve 19,40°C'de en düşük oda sıcaklıklarını sergilemiştir. Bu sıcaklık artışı, yüksek termal iletkenliği ile karakterize edilen Trombe duvarına atfedilir. Aralık, Ocak ve Şubat aylarında en soğuk aylarda sırasıyla 1,57°C, 1,23°C ve 1,40°C artışlar görülmüştür. PCM olarak n-oktadekan ile başka bir simülasyon gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyon, özellikle herhangi bir nano geliştirme bileşeni olmadan n-oktadekan PCM'e odaklanmıştır. Tutarlılığı korumak için Trombe duvar tasarımı, oda düzeni ve malzeme özellikleri orijinal NePCM simülasyonunda kullanılanlarla aynı tutulmuştur. Birincil amaç, nano geliştirmenin PCM'in termal davranışı ve bunun Trombe duvar sistemiyle etkileşimi üzerindeki spesifik etkisini izole etmek ve değerlendirmektir. Oda, PCM (Faz Değişim Materyali) ve Trombe duvarının sıcaklıkları arasında pozitif korelasyon gözlenmiştir. Aralık (19,56°C), Ocak (19,15°C) ve Şubat (19,28°C) ayları en düşük oda sıcaklıklarını yaşamıştır. Bu eğilim, daha düşük ortam sıcaklıklarının ve daha düşük aylardaki artan termal talebin birleşik etkisine atfedilebilir. Oda, Trombe Wall ve PCM için NePCM ve PCM karşılaştırması yapılmıştır. Ocak, Şubat ve Aralık ayları için sıcaklık farkı diğer aylara göre küçüktür. Maksimum fark Mart ayında tespit edilmiştir. Güneş ışığının süresi Nisan ayında olduğundan daha düşük olsa da, farkın nedeni en yüksek güneş radyasyonu nedeniyle gözlemlenir. NePCM'nin gizli ısı depolama kapasitesi muhtemelen Mart ayında önemli bir rol oynamıştır. Yüksek güneş radyasyonu dönemlerinde, PCM termal enerjiyi emerek ve depolayarak, günün daha soğuk dönemlerinde veya güneş girdisinin sınırlı olduğu sonraki günlerde kademeli olarak serbest bırakır. Bu gizli ısı tamponu, NePCM içermeyen senaryolara kıyasla daha sürdürülebilir bir sıcaklık artışı sağlamıştır. Yedi ay boyunca, NePCM'nin ortalama enerji kazancı PCM'den %16 daha yüksekti. Bu geliştirme, NePCM'nin nano-tasarlanmış yapısı tarafından kolaylaştırılan geliştirilmiş termal iletkenliğe ve ısı transfer potansiyeline atfedilebilir olup, bu da malzeme içinde termal enerjinin daha verimli bir şekilde emilmesine ve tutulmasına olanak tanır. Nano gelişmiş faz değişim malzemesinin, faz değişim malzemesinden daha verimli olduğu tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

The Trombe wall is built using materials that have a higher thermal capacity to gather solar energy and materials that have a lengthy energy storage capacity. The researchers presented many designs for improving Trombe wall performance. One of several designs is to use phase change materials in Trombe wall design. To keep the heat gained from solar radiation and use it to heat the structure at night. A different design of a Trombe wall with phase change material is evaluated in this study. To boost the performance of the phase transition material, nano enhanced materials with high thermal conductivity were chosen to quicken the process of energy transfer. Organic PCM, which is recyclable, economically effective, chemically stable, and has a wide temperature range, was chosen as a phase change material. N-octadecane was employed as the phase change material, and n-octadecane with nano enhancement of Expanded Graphite was chosen for the NePCM. To improve the heat gain by solar radiation, pyrolytic graphite was chosen as Trombe wall material as it has high thermal conductivity. Finite Element Method simulations are performed on the Trombe wall model. Istanbul, Türkiye, weather data was collected. For the computations, average monthly solar radiation, daylight hours, ambient temperature, and wind speed were used. The initial room temperature was taken as 18°C. Simulations were run for the coldest 7 months, and room, NePCM, and Trombe wall temperatures were measured. The coldest months, December, January, and February, saw increases of 1.57°C, 1.23°C, and 1.40°C, respectively. Another simulation was performed with n-octadecane as the PCM without nano enhancement. This simulation focused on n-octadecane PCM with no nano-enhancement components. This simulation uses the same weather data, the Trombe wall design, room layout, and material properties to those utilized in the first NePCM simulation. A comparison of NePCM and PCM for the room, Trombe Wall, and PCM was carried out. While the differences between NePCM (nano-enhanced) and non-NePCM situations were minor in January, February, and December, March showed the most apparent discrepancy. This pattern can be traced to the interaction of two factors: Despite having less sunshine than April, March had a greater level of solar radiation. This increased solar input to the Trombe wall's thermal gain exacerbated the temperature disparity seen with NePCM. The latent heat storage capability of NePCM most certainly played an important influence in March. During periods of intense solar radiation, the PCM absorbed and stored thermal energy, gradually releasing it during cooler parts of the day or on subsequent days when solar input was limited. This latent heat buffer allowed for a more sustained temperature increase than in circumstances lacking NePCM. For the seven months, the average energy gain of the NePCM was 16% higher than the PCM. This development can be attributed to improved thermal conductivity and heat transfer potential, facilitated by the nano-designed structure of the NePCM, which allows for more efficient absorption and retention of thermal energy within the material. It was determined that nano enhanced phase change material is more efficient than non-nano enhanced phase change material.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    384945

    Mevcut bir konutun enerji etkin geliştirilmesine yönelik bir çalışma:TOKİ Afyon Tarımköy örneği

    Energy efficient retrofit study for an existing residential building: Afyon TOKİ agricultural village project

    GİZEM DİNÇ KOBALAS

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL

  2. Tez No

    39139

    Pasif sistemlerde türbülanslı doğal taşınım

    Turbulent naturel convection in passive systems

    SEYHAN UYGUR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. A. NİLÜFER EĞRİCAN

  3. Tez No

    610391

    Thermal and mechanical performance of cementitious PCM composites

    Çimentolu FDM kompozitlerinin ısıl ve mekanik performansları

    ERMAN YİĞİT TUNCEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BEKİR YILMAZ PEKMEZCİ

  4. Tez No

    736343

    Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

    Numerical and experimental investigation of natural convection heat transfer in ship cargo tanks

    KORAY ŞAHİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMA ERGİN

  5. Tez No

    553988

    Analysis of energy efficiency by coasting application on ertms/etcs fitted railway lines that have different gradient profiles and maximum operating speed

    Farklı eğim profillerine ve maksimum hız işletmesine sahip ertms/etcs donanımlı demiryolu hatlarında treni boşa alma uygulaması ile enerji verimliliği analizi

    EMRE BÜYÜKAKINCAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

Geri Dön