Computational fluid dynamics (CFD) analysis of latent heat storage in heat exchangers by using phase change materials (PCM)

Abstract

The development of TES applications and materials takes the attention of many researchers, but the current literature rarely involves studies concerning medium temperature applications. This thesis compares available phase change materials (PCMs) for the medium temperature range. For this aim, Erythritol was defined as PCM in the numerical analyses. The effect of heat transfer fluid (HTF) tube position and shell shape on the melting time and sensible energy requirement for melting a phase change material (PCM) in a latent heat thermal energy storage (LHTES) application were investigated. Tube location and shell shape are essential due to the shape of the melted region, i.e., similar to the boundary layer. Results show that the S-curve of melting becomes steeper if the tubes are distributed such that the intersection of melted regions is delayed. Therefore, melted regions should be packed into a finite space which uncovers the shape of the shell that minimizes melting time and required sensible energy. Results show that, rectangular-shaped shell design where the tubes located near the bottom end decreases melting time and sensible energy from 67 minutes to 32 minutes and from 161.8 kJ/kg to 136.3 kJ/kg for %72.3 liquid fraction relative to the circular-shaped shell, respectively. In the four-tube cases, then the required melting time and sensible energy decrease 80% and 3.8% through the rectangular-shaped shell design for the PCM to melt completely, respectively. Overall, the results show that sensible energy storage and especially melting time can be decreased greatly by just varying the design.

TED uygulamalarının ve malzemelerinin geliştirilmesi birçok araştırmacının dikkatini çekmektedir, ancak mevcut literatür nadiren orta sıcaklık uygulamaları ile ilgili çalışmaları içermektedir. Bu tez, orta sıcaklık aralığı için uygun faz değişim malzemelerini (FDM) karşılaştırmaktadır. Bu amaçla, sayısal analizlerde FDM olarak Erythritol tanımlanmıştır. Gizli ısı termal enerji depolama (GITED) uygulamasında, bir faz değiştiren malzemenin (FDM) eritilmesi için ısı transfer akışkan (ITA) tüpünün konumu ve kabuk şeklinin erime süresi ve duyulur enerji gereksinimi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tüp konumu ve kabuk şekli, erimiş bölgenin şeklinin sınır tabakaya benzer olması nedeniyle önem arz etmektedir. Sonuçlar, FDM erimiş bölgelerin kesişimi gecikecek şekilde paylaştırılırsa erimenin S-şekilli eğrisinin daha dik hale geldiğini göstermektedir. Bu nedenle, erimiş bölgeler, erime süresini ve gereken duyulur enerjiyi en aza indiren kabuk şeklinin oluştuğu sonlu bir alana sığdırılmalıdır. Sonuçlar, tüplerin alt sınıra yakın konumlandırıldığı dikdörtgen şekilli kabuk tasarımının dairesel şekilli kabuğa kıyasla 72.3% erime oranı için erime süresini ve duyulur enerjiyi sırasıyla 67 dakikadan 32 dakikaya ve 161.8 kJ/kg' dan 136.3 kJ/kg' a düşürdüğünü göstermektedir. Dört tüplü durumlarda ise, FDM' nin tamamen erimesi için dikdörtgen şekilli kabuk tasarımı sayesinde gerekli erime süresi ve duyulur enerji sırasıyla 80% ve 3.8% azalmaktadır. Genel olarak, sonuçlar duyulur enerji depolamanın ve özellikle erime süresinin sadece tasarımı değiştirerek büyük ölçüde azaltılabileceğini göstermektedir.