Gözeneklı̇ ortam dolu sı̇lı̇ndı̇rı̇k kapta pcm ı̇le ısıl enerjı̇ depolanmasının analı̇zı̇

Günümüzde yenilenebilir enerji popüler bir konu olarak öne çıkmaktadır. Yenilenebilir enerjinin yaygınlaşabilmesi için, düzensiz bir enerji kaynağı olan yenilenebilir enerjinin depo edilebilmesi gerekmektedir. Enerji depolama yöntemleri içinde, ısıl enerji depolama sistemleri ön plana çıkmaktadır. Isıl Enerji Depolama, ısı geri kazanım sistemlerinde ve enerji kullanım optimizasyonunda önemli bir role sahiptir. Isıl enerji depolama sistemlerinde faz değiştiren malzemelerin depolama ortamı olarak kullanılması ile maddenin gizli ısı depolama kabiliyetinden de faydalanılabilinmektedir. Faz değiştiren malzeme olarak, literatürde çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Bunlar arasında parafin, bir dizi avantajı ile ön plana çıkmaktadır. Bu bir dizi avantajının yanında, parafinlerin en büyük dezavantajı, ısıl iletkenliklerinin oldukça düşük olmasıdır. Dolayısıyla, sistemin ısı enerjisi depolama süresi oldukça uzun sürmektedir. Bu dezavantajın üstesinden gelebilmek için, literatürde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Örneğin, genişletilmiş yüzeylerin kullanımı, nanoparçacık eklenmesi, gözenekli ortam eklenmesi vb. yöntemler araştırılmaktadır. Bu tez çalışmasında, gizli ısı depolama sistemlerinde gözenekli ortam kullanımıyla ısı transferi performansının gelişmesini incelemek için bir deney düzeneği oluşturulmuştur. Tezin birinci kısmında ısıl enerji depolama yöntemlerinin teorik altyapısından bahsedilmiş, ısıl enerji depolama mekanizmaları (duyulur ısı, gizli ısı ve tersinir kimysal enerji depolama) açıklanmıştır. Bu bölümde, son olarak, ısıl enerji depolama yöntemlerinde kullanılan organik malzemeler ve bu malzemelerin saf ve saf olmayan durumlardaki ısıl özellikleri açıklanmıştır. Faz değişiminde duyulan gizli ısı ihtiyacını temel alan ısıl enerji depolama çalışmalarına ilişkin literatür taraması bu tezin ikinci kısmında yer almıştır. Literatür araştırması kısmında incelenen deneysel ve numerik çalışmalarda su, parafin, akrilik gibi malzemelerin faz değiştiren ısıl enerji depolama malzemesi olarak kullanıldığı, ısı transferi miktarını arttırmak için kanatlı ısı değiştiricileri ve faz değiştiren malzemenin bulunduğu taraf için yüksek iletkenliğe sahip metaller ile gözenekli yapı oluşturulduğu görülmüştür. Yapılan çalışmalar ile metal bazlı gözenekli ortam kullanımının ısıl enerji depolama malzemesinin ısıl iletkenliğini yüksek oranda arttırdığı belirlenmiştir. Tezin üçüncü kısmında ise tez çalışması kapsamında oluşturulan deney düzeneğine ve ve deneysel çalışmaya ait detaylar verilmiştir. Deney düzeneğinde faz değiştiren malzeme olarak, 63-65 °C arasında erime noktasına sahip ve 57-72 °C arasında 250 kJ/kg ısıl kapasiteye sahip Rubitherm RT 64 HC marka parafin kullanılmıştır. Seçilen malzemenin her iki fazdaki ısıl iletikenlik katsayısı 0.2 W/mK olarak belirlenmiştir. xxiii Deney düzeneği olarak laboratuvar ölçekli ısıl enerji depolama test düzeneği İTÜ Makina Fakültesi Alpin Kemal DAĞSÖZ Isı-Kütle Laboratuvarı bünyesinde kurulmuştur. Deney düzeneğinde güç kaynağı, multimetre, faz değiştiren malzemenin konduğu parafin kabı, izolasyon malzemesi, veri toplama cihazı ve bilgisayardan oluşmaktadır. Parafin kabı olarak silindirik yapıda cam tüp kullanılmıştır. Bu tüpün iç çapı 50 mm, dış çapı 52 mm olup uzunluğu ise 350 mm'dir. Parafin kabının çevresi, izolasyon malzemesi olarak 20 mm kalınlığında cam yünü kullanılarak yalıtılmıştır. Cam yününün dışına da ince alüminyum levha sarılarak yalıtkanlık arttırılmıştır. Parafinin erime performansının incelenmesi için cam bir kabın içinde, cam kabın merkezinde bulunan, doğru akım kaynaklı düz boru ısıtıcı kullanılmıştır. Farklı ısıl güçlerde erime performansı incelenmiştir. Isıtıcı bir doğru akım makinası tarafından beslenmiştir. Doğru akım makinasından ayrıca akım ve voltaj değerleri ölçülmektedir. Bu değerler ile sisteme verilen ısıl güç belirlenmektedir. Parafinin erime sırasındaki fiziksel değişimleri ve sıcaklık değişimleri 28 adet K tipi ısıl çift ile incelenmiştir. Isıl çiftler kabın içerisindeki parafinin erime sürecinde, malzemenin ısıl davranışını belirlemek için ısıtıcının yüzeyinden, parafin kabının dış yüzeyine, ısıtıcı yüzeyine. tüpün iç duvarında çevresel olarak konuşlandırılmıştır. Termoelemanların zamana bağlı sıcaklık ölçümleri, Keithley 2700 veri toplama sistemi tarafından yorumlanarak bir bilgisayara aktarılmıştır. Isıl çiftlerin kalibrasyonu su-buz karışımı ve kaynar su ortamlarında, termometre ile ölçümler karşılaştırılarak gerçekleştirilmiştir. Daha sonraki gözenekli ortamda ısıl enerji depolama deneysel çalışması için, gözenekli ortamı oluşturmak için 430 paslanmaz çelik malzemeden imal edilmiş 0.5 mm kalınlıktaki, 2-3 mm genişlikteki bulaşık teli kullanılmıştır. Oluşturulan gözenekli ortamın ortalama gözenekliliği 0.85 olarak belirlenmiştir. gözenekli ortam cam kabın içine doldurulmuştur. Deney prosedürü olarak, faz değiştiren malzeme olarak seçilen parafin malzemesinin farklı ısıl güçlerde (10-20-30-40 watt) faz değişimi performansı incelenmiştir. Bu deney süreci gözenekli ortam içerisine yerleştirilen parafin için de gerçekleştirilmiş ve bu iki farklı durum için sıcaklık değişimlerine ait veriler bilgisayar yardımıyla karşılaştırılmıştır. Deneye başlamadan önce, deneyde kullanılacak olan RT64HC parafininin kütlesi belirlenmiştir. Başlangıçta katı fazda ve küçük taneli yapıda olan parafin malzemesi deney sırasında homojen halde ortamda bulunması için deney öncesinde birkaç defa eritme işlemine tabi tutulmuştur. Deney sırasında ise sıcaklık değerleri her 4 saniyede bir kaydedilmiş ve ısıl çiftlerden alınan sıcaklık verilerine göre parafinin eridiğine kanaat getirilmiş ve deney sonlandırılmıştır. Dördüncü bölümde deneysel çalışmadan elde edilen veriler sunulmuş, incelenmiş ve yorumlanmıştır. Deneylerde elde edilen veriler, gözenekli ortamlı deney düzeneğinde, sıcaklık profili değişiminin, sadece parafinin kullanıldığı deneye göre daha düşük olduğunu göstermektedir. Bu sonuç, gözenekli ortamda ısı transferinin daha üniform bir şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. Gözenekli ortamda etkin ısı iletimi katsayı daha yüksek olduğu için, ısıl penetrasyon yükselmektedir. Deneylerin başlangıcındaki ısı aktarımının iletim ile kontrol edildiği görülmüştür. Bir süre sonra, iletim ve taşınım karışımı ile erime büyük ölçüde gerçekleştikten sonra ise ısı transferi tamamen doğal taşınım ile yapılır. xxiv Gözenekli ortamın eklenmesiyle, parafinin erime zamanının ortalaması, yalnızca parafinin olduğu durumun ortalama erime süresine göre yaklaşık% 7 ile % 20 azaltılmıştır. Takip eden bölümlerde, işlemin, kap içinde, gözenekli ortam ile birlikte veya olmaksızın sıcaklık profilleri değerlendirilmiştir. Temel olarak, bu deneysel çalışmada, eritme işlemi sırasında, konteyner boyunca sıcaklık profili incelenmiştir. Sonuç olarak, elde edilen sonuçlar, böylesi bir sistemin götüren ısı transferi fiziğini algılamak için yararlı bilgiler ve kapsamlı sonuçlar elde edilmesine yardımcı olmuştur.