اسم الباحث : حيدر عبد الخالق عزيز
اسم المشرف : أ.د. نبيل شهيد ضيدان + أ.م.د. فاضل نور الدين الموسوي
الكلمات المفتاحية : PCM, Charging, LHTES, Natural convection, Mushy zone constant, Melting time.
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : هندسة ميكانيك - ميكانيك موائع وحراريات
سنة نشر البحث : 2023
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
تتضمن الدراسة الحالية التحقق العددي والتجريبي من الخواص الحرارية لمواد متغيرة الطور الموضوعة في وحدة تخزين الطاقة الحرارية الكامنة الحلقية الأفقية مع إضافة الزعانف الداخلية. جهاز تخزين الطاقة بطول 500 ملم يتكون من غلاف خارجي معزول حرارياً مصنوع من البلاستيك الشفاف بقطر 75 ملم وأنبوب داخلي من النحاس يستخدم لنقل مائع نقل الحرارة (الماء) بقطر 25 ملم. يتم ملأ المساحة بين الأنبوب الداخلي والغلاف الخارجي بمادة متغيرة الطور من نوع شمع البارافين RT 42.
تم اختبار ثلاثة نماذج من وحدة تخزين الطاقة الحرارية الكامنة وهي : بدون زعانف، ذات زعانف على شكل X، وذات زعانف سفلية ، تكون نسبة كتلة الزعانف إلى المادة متغيرة الطور ثابتة لوحدتي التخزين ذات الزعانف، يبلغ طول الزعنفة الطولية 500 ملم وارتفاعها 20 ملم وهي متصلة بالأنبوب الداخلي لوحدة التخزين ، تم استخدام طريقة المسامية والمحتوى الحراري لحل النموذج العددي ثنائي الأبعاد لمشكلة ذوبان المواد متغيرة الطور ودراسة تأثير درجات حرارة دخول الماء الساخن المختلفة (60، 70، 80 درجة مئوية) على زمن الذوبان عملياً وعددياً.
ومن خلال مراقبة عملية الذوبان أظهرت النتائج تقارباً كبيراً بين النتائج العددية والعملية، يسيطر الحمل الحراري الطبيعي والسخونة الزائدة على الذوبان في الجزء العلوي من وحدة التخزين التي لا تحتوي على الزعانف، بينما يتحكم التوصيل الحراري بمعدل ذوبان منخفض في الجزء السفلي، يؤدي إدخال الزعانف إلى منع ارتفاع درجة الحرارة في الجزء العلوي وزيادة معدل الذوبان في الجزء السفلي من وحدة التخزين الحراري. كما أن زيادة درجة حرارة مدخل (الماء) له تأثير كبير على تقليل زمن الذوبان، فقد انخفض زمن الذوبان بنسبة 31% و45.5% بزيادة درجة حرارة مدخل الماء من 60 إلى 70 درجة مئوية، ومن 60 إلى 80 درجة مئوية، على التوالى.
أعلى التخفيضات العددية والتجريبية في وقت الشحن تم الحصول عليها باستخدام وحدة التخزين ذات الزعانف السفلية مقارنة بوحدة لا تحتوي على زعانف وهي بمقدار 79.31% و77.75%، على التوالي، عند درجة حرارة مدخل الماء تبلغ 80 درجة مئوية. وفي الوقت نفسه تبلغ التخفيضات العددية والتجريبية في أوقات الشحن 79% و78 على التوالي، عند درجة حرارة مدخل الماء 70 درجة مئوية.
Investigation of thermal features of latent heat thermal energy storage with internal fins
Abstract
The present study includes a numerical and experimental verification of the thermal properties of PCM placed in a horizontal annular latent heat thermal energy storage (LHTES) unit with the addition of internal fins. The energy storage device has a length of 500 mm consisting of a thermally insulated outer shell made of transparent plastic with a diameter of 75 mm and an inner copper tube used to transport the heat transfer fluid (water), with a diameter of 25 mm. The space between the inner tube and the outer shell is filled with a phase change material of the RT 42 paraffin wax type.
Three models of LHTES are tested and investigated: unfinned, X-shape fin distribution, and below-distribution fin. The fin/PCM mass ratio is constant for two finned storage units. The longitudinal fin has a length of 500 mm and a height of 20 mm and is attached to the internal tube of the LHTES unit. The enthalpy-porosity method was used to solve the two-dimensional numerical model of the PCM melting problem. The effect of various hot water inlet temperatures (60, 70, and 80 °C) on the melting time was investigated experimentally and numerically.
By monitoring the melting process, the results showed a significant convergence between the numerical and practical results. Natural convection and overheating dominate the melting at the top part of the unfinned storage unit, while thermal conduction with a low melting rate controls the bottom part. Inserting fin suppresses overheating in the top part and increases the melting rate at the bottom part of the thermal storage unit. Also, increasing the HTF (water) inlet temperature has a significant effect on reducing the melting time; the melting time was reduced by 31 % and 45.5 % by increasing the water inlet temperature from 60 to 70 °C, and from 60 to 80 °C, respectively. The greatest numerical and experimental reductions in charging time due to using a below-fin distribution unit compared to an unfinned unit instead are 79.31% and 77.75 %, respectively, at a water inlet temperature of 80 °C. At the same time, the numerical and experimental reductions in charging times are 79% and 78, respectively, at a water inlet temperature of 70 °C.
