Experimental and numerical investigation of cold thermal energy storage systems

Abstract

Bu tez çalışmasında, suyun katılaşma ve erime süreçlerini incelemek amacıyla, iki farklı gizli ısıl enerji depolama (GIED) sistemi tasarlanmış ve imal edilmiştir. Boru?kovan tipi GIED sisteminde, doğal taşınım etkisindeki faz değişim süreci araştırılmıştır. Faz değişimi sırasında meydana gelen katı?sıvı ara yüzey değişimlerini izlemek amacıyla elektronik ara yüzey ölçüm yöntemi geliştirilmiştir. Mevcut yöntemle fotoğraflama yönteminin karşılaştırmalı deneysel sonuçlarına göre ortalama fark ±%3 olarak elde edilmiştir. Kısa bir iletim etkin periyod sonrasında, sistem içerisindeki etkin ısı transferi mekanizmasının doğal taşınım olduğu gözlenmiştir. Parametrik sonuçlara göre, ısı transferi akışkanın giriş sıcaklığı, depolanan ve geri kullanılan enerjilerin belirlenmesinde en etkin parametredir. Ayrıca, doğal taşınım etkisindeki faz değişim süreci iki boyutlu ortamda FLUENT paket programı kullanılarak modellenmiştir. Ara yüzeyin zamana bağlı değişimleri karşılaştırılmış ve sonuçta ortalama farkın 2 mm'den az olduğu bulunmuştur. Serpantinli GIED sisteminde ısı transferi akışkanının depo girişindeki sıcaklığını sabitlemek için dört farklı kontrol stratejisi test edilmiştir. Isı transferi akışkanının evaporatörden çıkış sıcaklığına göre gerçekleştirilen kontrol durumunda, depo giriş sıcaklığı stabil olarak elde edilmiştir. Mevcut deneysel parametreler için, içten eritmeye kıyasla dıştan eritme durumunda daha düşük çıkış sıcaklıklarının daha uzun süreler için elde edilebildiği gözlenmiştir. Ayrıca, sistem ısıl direnç ağları yöntemiyle modellenerek parametrik enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Depolanan enerji, buz kütlesi ve ısı transferi akışkanının tanktan çıkış sıcaklıkları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Buz kütlesi cinsinden ortalama fark %4'ten düşük elde edilmiştir. Doğrulamadan sonra, sistem performansı çeşitli çalışma ve tasarım parametreleri için incelenmiştir. In this thesis study, two different types of latent heat thermal energy storage (LHTES) systems are designed and fabricated to investigate the solidification and melting periods of water. In the shell?and?tube type LHTES system, natural convection dominated phase change process is investigated. An electronic interface measurement method is developed to monitor the solid?liquid interface variations during the phase change. Experimental results indicate that the mean relative difference of the current method is nearly ±3%, in comparison with the photography method. Results designate that, natural convection becomes the dominant heat transfer mechanism after a short heat conduction dominated period. Furthermore, parametric results indicate that the inlet temperature of the heat transfer fluid (HTF) is the most deterministic parameter on the stored and rejected energies. Besides, the natural convection dominated phase change is analyzed in a two?dimensional domain with the aid of FLUENT software. Comparisons are performed in terms of the time wise variations of interface positions and the mean deviation is obtained less than 2 mm. In the ice-on-coil type LHTES system, four different control strategies are tested to achieve a constant temperature value of the HTF at the inlet section of the tank. More stable inlet temperature of the HTF is achieved for the control with the HTF temperature at the outlet section of the evaporator. Parametric results emphasize that, for the current experimental conditions external melting mode can provide relatively lower outlet temperatures for a longer period. On the other hand, parametric energy and exergy analyses are carried out for the charging period of the system with using the thermal resistance network technique. Time wise variations of the total stored energy, mass of ice and outlet temperature of the HTF are compared with the experimental data. The mean deviation is obtained less than 4% in terms of the total mass of ice. After validation, performance of the system is investigated for several working and design parameters.