Dr. Levent Çetin
Yardımcı Doçent@Mekatronik Mühendisliği,İKÇÜ

Özet:

Giriş: Güneş ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının uygulamadaki en büyük sıkıntısı, enerji kaynağının sürekli olmaması, başka bir deyişle sürdürebilirliğidir. Enerji depolama sistemleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekliliğinin sağlanmasında bir çözüm yöntemi olarak öne çıkmaktadır. Isıl enerji depolama yöntemleri prensip olarak, enerjinin bol ve ucuz olduğu zaman dilimlerinde ısı (veya soğu) enerjisinin depolanması ve sonraki dönemlerde geri kullanımı olarak açıklanabilir. Isıl enerji depolama sistemlerinin mevcut enerji sistemlerine entegrasyonuyla sürdürülebilir, verimli, ekonomik ve çevre dostu uygulamalar sağlanmaktadır. Isıl enerji depolama yöntemleri, soğutma veya ısıtma sistemlerindeki arz-talep dengesizliğini ortadan kaldıran anahtar bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Yüksek ısıl enerji depolama yoğunluğu ve ısı transferinin dar bir sıcaklık aralığında gerçekleşmesi sebebiyle, gizli ısıl enerji depolama sistemleri (GIED) en yaygın kullanılan IED yöntemidir.

Amaç ve Yöntem:GIED sistemlerinde kullanılan faz değişim malzemelerinin (FDM) yüksek faz değişim entalpi değerlerine (gizli ısı) sahip olmalarına rağmen, klasik FDM’ler, düşük ısıl iletkenlik değerlerine sahip olmaları nedeniyle enerji depolama (veya geri kullanım) hızları oldukça düşüktür. Bu projede grafen nano-tabakaların, eritritol, araşidik ve miristik asit içerisinde dağıtılarak elde edilen yeni nesil FDM’lerle GIED sistemindeki toplam faz değişim süresinin önemli ölçüde düşürülmesi amaçlanmaktadır. Bunun yanında, düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan potasyum klorür ve sodyum klorür gibi ötektik FDM’lere Grafen nano-tabakalar ilavesiyle ısıl iletkenlik değerinin arttırılması ve böylelikle FDM kullanılan buzdolaplarının da enerji verimliliğinin iyileştirilmesi amaçlanmaktadır. Bu bağlamda, hem evsel enerji tüketiminde azalma, hem de ülkemizdeki buzdolabı üreticilerinin rekabet edebilirliğinde artış beklenmektedir. Üretilecek FDM’lerin termo fiziksel özelikleri DSC, TGA, 3ω yöntemi, viskozimetre ve proje kapsamında alınacak ısıl iletkenlik ölçüm cihazı yardımıyla tespit edilecektir. Ayrıca malzemelerin kimyasal ve yapısal değişimleri TEM, XRD, FTIR ve SEM ölçümleriyle ortaya konulacaktır. Isıl özelikleri elde edilen FDM’lerin faz değişim süreçleri tek bir kapsül içinde deneysel ve sayısal olarak incelenecektir. Deneysel çalışmada kapsül geometrisinin faz değişimine etkisinin belirlenmesi için, farklı geometri (küresel, silindirik ve düzlemsel) ve boyutlara sahip şeffaf plastik malzemeden imal edilmiş kapsüller denenecektir. Deneyler sırasında kapsül içindeki faz değiştiren FDM hacminin belirlenmesi için, geleneksel olarak uygulanan sıcaklık ölçümü ve fotoğraflama yöntemlerinin yanında elektronik ara-yüzey ölçme yöntemi de kullanılacaktır. Farklı FDM’lerin ısıl performansının karşılaştırılması için zamana bağlı ortalama yarıçap, yerel ve ortalama Nusselt sayısı gibi ısıl parametreler elde edilecektir. Sayısal çalışmalar iki aşamada gerçekleştirilecektir. İlk aşamada tek kapsül dikkate alınarak, kapsül içindeki FDM’nin ısıl davranışı incelenecek, ikinci aşamada kapsüllü ısı enerji depolama sistemi modellenecektir. Tek kapsülün dikkate alınacağı birinci aşamada, üç ayrı yaklaşım kullanılacaktır. Bu yaklaşımlar: Faz değişimli bir boyutlu ısı iletim problemi, İki boyutlu doğal taşınım etkin faz değişim problemi (VOF yaklaşımı ve Eulerian-Eulerian yaklaşımı) Bu üç yaklaşımla elde edilecek sayısal sonuçların deneysel verilerle doğrulaması yapıldıktan sonra, parametrik incelemeler yapılacaktır. Parametrik çalışmada farklı FDM’lerin çeşitli başlangıç ve sınır koşulları altındaki doğal taşınımlı faz değişim süreçleri karşılaştırmalı olarak elde edilecektir. İkinci aşamada, kapsüllü ısıl enerji depolama sisteminin sayısal incelemesi yapılacaktır. Isı transfer akışkanı ve FDM için yazılacak korunum denklemleri birleşik olarak çözülecek ve sistemin depolama ve geri kullanım periyodundaki zamana bağlı ısıl davranışı elde edilecektir. Sayısal çalışma sonucunda, yayıcı geometrisi ve kapsül yerleşimi gibi tasarım parametrelerinin yanı sıra, ısı transfer akışkanının giriş sıcaklığı ve hızı gibi çalışma şartlarının da ısı geçişine etkisi açık bir şekilde elde edilecektir. Ayrıca, literatürde incelemesi şu ana kadar yapılmamış bazı iyileştirmeler de denenecektir. Tank içindeki tüm kapsüllerde faz değişim işleminin yaklaşık olarak aynı anda tamamlanması amacıyla erime sıcaklıkları farklı FDM’lerin ve farklı boyutlardaki kapsüllerin kullanımı sayısal olarak incelenecek ve etkisi ortaya konacaktır. Bu proje, Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü ve Kimya Bölümü öğretim üyeleri tarafından işbirliği içinde gerçekleştirilecektir. Bu proje kapsamında ayrıca iki farklı yüksek lisans öğrencisinin de bursiyer olarak bulunması planlanmıştır. Proje ekibinde yer alan araştırmacılar kendi uzmanlık alanlarına göre projenin ilerlemesine ve gelişimine katkı sağlayacaklardır. Önerilen projenin parametrik deneysel ve sayısal çalışmalardan oluşması nedeniyle proje süresi 30 ay olarak öngörülmüştür.

Abstract:

Introduction: The biggest problem of the application of the renewable energy sources such as solar and wind is their sustainability. Energy storage systems are gaining prominence as a solution for enabling the sustainability of the renewable energy sources. Principally thermal energy storage methods can be explained as the storage of the heat or cold energy during the periods that it is cheaper and redundant. The integration of the thermal energy storage systems to the conventional energy systems provides sustainable, effective, economical, and environmental friendly applications. Thermal energy storage (TES) methods are gaining prominence as a key technology by eliminating the supply and demand un-equilibrium for heating and cooling systems. Since they have the high thermal energy storage capacity and the heat transfer occurs in a narrow heat thermal energy storage (LHTES) systems are widely used among many TES.

Objective and Method: Although the phase change materials (PCMs) that used in LHTES systems have higher phase change enthalpy (latent heat) values, classical PCMs have lower thermal conductivity values that quite slows down the speed of the energy storage (or release). Novel PCMs will be produced by dispersing the graphene nano-sheets into the erythritol, arachidic acid and myristic acid, and the objective of the project is, reducing the time period of the phase change significantly. Additionally, it is aimed to increase the thermal conductivity of PCMs by the inclusion of the graphene nanosheets into the eutectic PCMs such as potassium chloride and sodium chloride which are used in low temperature applications, thus enhancement of the energy efficiency of the refrigerator in which PCMs are used. In this respect, it is expected either to decrease the domestic energy consumption or to enhance the competitiveness of the refrigerator producers. Produced PCMs will be analyzed by DSC, TGA, 3ω method, viscometer and thermal conductivity meter. Also the materials will be investigated chemically and structurally by TEM, XRD, FTIR ve SEM analyses. After obtaining the thermal properties, phase change process of the PCMs will be investigated experimentally and numerically in a single capsule. For determining the effect of the geometry of the capsule on the phase change, capsules will be produced from transparent plastic material and tested with different geometries (spherical, cylindrical, and planar) and various dimensions. During the experiments, for the determination of the volumetric change of the encapsulated PCM, besides classical methods such as temperature measurement and photographing methods, a new technique based on the electronic interface measurement will be used. To compare the thermal performance of the different PCMs, some parameters such as time-wise variations of the average radius, local and mean Nusselt number will be obtained. Numerical studies will be achieved in two steps. In the first step, only one capsule will be taken into consideration and the thermal behavior of the encapsulated PCM will be investigated. In the second step, thermal energy storage system will be analyzed. In the first step three approaches will be utilized. These are: One dimensional conduction problem with phase change, two-dimensional natural-convection-driven phase change (VOF & Eulerian-Eulerian approaches). Numerical results, which will be obtained from the aforementioned three approaches, will be validated with comparing the experimental data and then parametric study will be performed. In the parametric study, natural-convection-driven phase change process will be obtained comparatively for different PCMs with various initial and boundary conditions. In the second step, encapsulated thermal energy storage system will be investigated numerically. Time dependent thermal behavior of the system will be obtained by the solution of the governing equations for both heat transfer fluid and PCM and then time-wise variations of the thermal behavior of the system in charging and discharging periods. As result of the numerical analyses, influences of some design parameters such as, the diffusor geometry and the arrangement of the capsules, and the working parameters such as, the inlet temperature and velocity of the heat transfer fluid will be obtained. Besides, in this project some modifications that have never been investigated in available literature will be tested. In order to maintain a homogenous phase change process for the whole capsules inside the storage, usage of different PCMs with distinct melting temperatures, and usage of capsules with different dimensions in the same storage tank will be investigated numerically and the influence of each modification will be introduced. This project will be achieved by the cooperation of the researchers in the mechanical engineering department and chemical department of the Dokuz Eylul University. Two Master of Science students will be financed by the project. Members of the project team will contribute to advancement and evolution of the project according to their specialty. Due to the parametric, experimental and numerical studies project is envisaged to be completed in 30 months.