Euler-euler modelleme yönteminin taşkın yatak ısıl alıcıları için kestirim yeteneğinin değerlendirilmesi

Konsantre güneş enerji (KGE) uygulamalarında, doğrudan ışıma ile ısınan akışkan/taşkın yataklı parçacık alıcılarının 1100 °C'den daha yüksek sıcaklıklarda termal enerjiyi depolayabilme potansiyelleri vardır. Bu nedenle, akışkan/taşkın parçacık alıcıları gelecek nesil KGE sistemlerine entegre edilebilecek en iyi alıcılar olarak göze çarpmaktadır. Ayrıca, KGE uygulamaları için önerilen carboHSP ve olivin gibi parçacıklar yüksek yoğunluğa (2500 kg/m³'ün üzerinde) ve 1 mm veya daha büyük parçacık boyutlarına sahip olduklarından, akışkan yataklar yerine daha az yatak basınç düşüş özelliğine sahip olan taşkın yataklarda kullanılmaları tercih edilmektedirler. Literatürde KGE uygulamaları kapsamındaki taşkın yatakların sayısal termal modelleme çalışmaları sınırlı sayıda bulunmaktadır. Eulerian-Eulerian yaklaşımı, katı fazının gaz fazı gibi sürekli akışkana göre tanımlanabildiği, yaygın olarak kullanılan bir modelleme tekniğidir. Aynı zamanda çok fazlı akış (ÇFA) modeli olarak da bilinir. Literatüründeki çoğu taşkın yataklar için yapılan ÇFA model çalışmaları gaz-katı akış dinamiklerini incelemelerine karşın mevcut termal çalışmalarında gaz-katı akış dinamiklerinden kaynaklı etkileri detaylı bir şekilde ele almamışlardır. Ayrıca, ÇFA yaklaşımı ile güvenilir modeller geliştirmek için çeşitli tamamlayıcı denklemler kullanılarak hidrodinamik ve termal özelliklerin karşılaştırılmasına ve değerlendirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yüzden, hidrodinamik ve termal performanslarının eşzamanlı değerlendirerek ÇFA'nın tahmin yeteneğinin araştırılması bu tezin amacını oluşturmaktadır. Termal enerji depolama sisteminin yalnızca taşınımla soğutma ile enerjisini boşaltma davranışlarının araştırılması bu tezin kapsamını oluşturmaktadır. Radyasyon ile ısıtma tez kapsamına alınmamıştır. Bu kapsamda, farklı veri setleri (He vd. (1994a; 1994b), Patil vd. (2015) ve Özdemir (2024)) doğrulama için seçilmiştir. He vd.'nin (1994a; 1994b) veri seti sadece gaz-katı akış dinamikleri içindir. Patil vd. (2015) ve Özdemir 2024 ise KGE sistemlerindeki termal enerjiyi taşınımla soğutma davranışını modellemeye yardımcı olacak termal veri setleri sunmaktadırlar. Modelleme çalışmalarında ANSYS FLUENT yazılımı kullanılmıştır. Fazlar arası ısı transferi ile farklı etkin termal iletkenlik modelleri kullanıcı tanımlı fonksiyonlar yardımıyla yazılımın içine eklenmiştir. Sonuçlara göre hidrodinamik ÇFA parametrelerinden sürüklenme modelinin ve parçacıların elastik çarpışma oranının, kabul edilebilir derecede doğru çözümler elde etmek için hidrodinamik açıdan en kritik parametreler olduğu gösterilmiştir. Diğer taraftan, fazlar arası ısı transfer katsayısının, katı fazın etkin termal iletkenliğinin ve duvar sınır koşullarının uygun tanımlanması ile yatağın soğutma veya termal enerjiyi boşaltma davranışlarının doğru modellenmesi için gerekli olduğu termal taraftaki sonuçlara göre gösterilmiştir. Gunn (1978) tarafından önerilen fazlar arası ısı transfer katsayı korelasyonuna göre parçacığa ait Nusselt sayısı (Nup) akışkan yatak literatüründeki ölçümlerle tutarlılık sağlarken, Zehner ve Schlunder (1970) modelinin katı fazın etkin termal iletkenliği, kinetik teori yaklaşımından daha iyi performans gösterdiği bulunmuştur. Modelleme çalışmaları kapsamında enerji dengesinin incelenmesi ve modele ait ağ hassasiyet çalışmalarının yapılması literatürde genellikle göz ardı edilen iki önemli konudur. Hidrodinamik parametreler kapsamında elde edilen bir ağ hassasiyet çözümü, termal analiz çalışmaları için ağ hassasiyetini garanti etmemektedir. Termal modelleme çalışmaları, daha küçük ağ boyutlarında yapılması gerekebilir. Son olarak, carboHSP parçacıklarının termal enerjilerini boşaltma davranışlarına ait modelleme çalışma sonuçları, Özdemir (2024) veri seti ile karşılaştırılmıştır. ÇFA yaklaşımı ile gerçekleştirilen 100 saniyelik modelleme çalışması sonuçlarına göre soğutma davranışlarının deneyin sonuçlarına ait genel eğilimleri yakalayabildiği görülmüştür. Yataktaki üç yerden elde edilen verilere dayanarak modelleme ile deneysel sonuçlar arasındaki maksimum sıcaklık farkının 7-8 °C olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan ise soğutma hızları oldukça benzerlik göstermektedir. Ayrıca, ÇFA modelleme çalışmaları kapsamında carboHSP parçacıklarının soğutma davranışı hakkında bazı fiziksel öngörüler sağlanmıştır.