Silindirik sıcak su depolama tanklarında farklı tip yalıtım malzemelerinin birleştirilmesi ile ısıl katmanlaşmanın artırılması

Günümüzde kullanılan enerji depolama sistemleri, elektrik enerjisinin ve ısıl enerjinin depolanması olarak iki temel kategoride incelenebilir. Enerji depolama sistemleri ile elektrik enerjisi ve ısıl enerji, fazladan enerji üretiminin olduğu ya da enerji üretiminin daha az maliyetli olduğu koşullarda depolanmakta ve ihtiyaç duyulan zamanlarda tekrar kullanılmaktadır. Sıcak su depolama tankları ısıl enerji depolama yöntemleri arasında önemli bir yere sahiptir. Sıcak su tanklarındaki ısıl enerjiden daha verimli ve daha uzun süreli faydalanmak için tank içerisinde ısıl katmanlaşmanın sağlanması yaygın olarak kullanılan yöntemlerden birisidir. Isıl katmanlaşma, soğuma ile birlikte oluşan sıcak ve soğuk su karışımının önlenmesi neticesinde oluşan bir yapıdır. Literatürde sıcak su tank tasarımının ve konumlandırılmasının ısıl katmanlaşma üzerine etkilerinin incelendiği çok sayıda deneysel ve sayısal çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmada ise literatür çalışmalarından farklı olarak yalıtım geometrisinin, tank boyutlarının ve farklı malzemelerden oluşan yalıtım katmanlarının ısıl katmanlaşma üzerine etkisi sayısal olarak araştırılmıştır. Bu tez çalışmasında farklı tank en/boy oranları, yalıtım kademe oranları, yalıtım çeşitleri ve yalıtım kalınlıkları için sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Isıl iletkenliği ve kullanılabilirliği dikkate alındığında, yalıtım malzemesi olarak cam yünü, poliüretan köpük ve aerojel tercih edilmiştir. Sayısal analizler, tank içerisindeki sıcaklık dağılımı, akışkan hareketleri, termodinamiğin birinci ve ikinci yasası açısından değerlendirilmiştir. Analiz sonuçları tank en/boy oranının düşürülmesi ve kademeli yalıtım geometrisi kullanımı ile ısıl katmanlaşmanın arttığını ortaya koymuştur. Farklı yalıtım malzemesi kombinasyonları kullanılmış ve en yüksek ısıl katmanlaşmanın cam yünü-aerojel yalıtım çiftinde meydana geldiği tespit edilmiştir. Tank içerisindeki en yüksek sıcaklık farkı, cam yünü-aerojel kullanımı için 15.313 °C, yalnız cam yünü yalıtım kullanımı için ise 7.9 °C olarak elde edilmiştir. Ayrıca kullanılan tank geometrisi ve yalıtım katmanlarının uygulanabilirliğinin tespit edilebilmesi için enerji ve ekserji analizi gerçekleştirilmiştir. Kademeli yalıtım ve farklı yalıtım birleşimleri kullanımı ile sıcak suyun enerji ve ekserji veriminde makul görülebilir bir seviyede düşüş meydana gelmiştir. Bu sonuçlar, sıcak su tanklarında kademeli yalıtım geometrisi ve katmanlı yalıtım yapısı kullanımının pratikte uygulanabilir olduğunu göstermiştir.