اسم الباحث : علاء حمزة سلمان
اسم المشرف : أ.د. محمد وهاب الجبوري
الكلمات المفتاحية : PCM,HTF,LTS
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : الهندسة الميكانيكية
سنة نشر البحث : 2024
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
في الآونة الأخيرة، هناك توجه كبير لاستخدام الطاقات المتجددة مثل الطاقة الشمسية وغيرها، ولكن في الوقت نفسه بعض هذه الطاقات متوفرة لفترات محددة. على سبيل المثال، الطاقة الشمسية يمكن الحصول عليها في النهار ويستحيل ذلك في الليل، ومن أهم استخدامات المواد متغيرة الطور (PCMs) هو تخزين هذه الطاقات ومن ثم استخدامها في الوقت المناسب. ومن الجدير بالذكر أن معظم هذه المواد (PCMs) لديها موصلية حرارية منخفضة ولتحسين هذه الخاصية، هناك تقنيات عديدة ومختلفة يمكن استخدامها.
في هذه الدراسة، تم تنصيب أربع زعانف معدنية جيبيه، بأربعة ترتيبات مختلفة، في المنطقة الحلقية لوحدة تخزين الحرارة الكامنة (LTS). تتكون وحدة LTS من أنبوبة نحاسية بطول 500 مم وقطر داخلي 23 مم وسمك 2 مم ومحاطة بأنبوبة شفافة بقطر داخلي 74 مم وسمك 1 مم. أبعاد الزعنفة هي 20 ملم طول، 500 ملم عرض، و2 ملم سمك. يتم ملء المساحة الحلقية لوحدة ال LTS بالكامل بواسطة ال PCM (شمع البارافين RT-42).
يتم دراسة الخصائص الحرارية (درجة الحرارة، كسر الكتلة السائلة، الطاقة الحرارية المكتسبة، ووقت الانصهار الإجمالي) لـ PCM، مع وبدون زعانف، عدديًا وتجريبيًا. ولهذا الغرض، تم إجراء خمس حالات رئيسية؛ تمثل الحالة 1 الحالة العادية (بدون زعانف) لوحدة LTS وتمثل الحالات الأخرى ترتيبات الزعانف. هذه الترتيبات هي شكل زائد (الحالة 2)، وشكل متقاطع (الحالة 3)، وثلاث زعانف في الجزء السفلي وواحدة في الجزء العلوي من وحدة LTS (الحالة 4) وأربع زعانف في الجزء السفلي من وحدة LTS (الحالة 5). تم أيضًا دراسة تأثير درجة حرارة الدخول (ثلاث قيم 60، 70 و80 درجة مئوية) لسائل نقل الحرارة (HTF) على الأداء الحراري لـ PCM. عددياً، تم إجراء التحقق باستخدام برنامج ANSYS-Fluent إصدار 2021.
تشير النتائج إلى أن درجة حرارة دخول ال HTF لها تأثير واضح على عملية ذوبان ال PCM حيث أنه بالنسبة لزيادة درجة حرارة المدخل بمقدار 1 درجة مئوية، يكون هناك انخفاض لمدة دقيقة واحدة في وقت الذوبان الكلي. ينطبق هذا تقريبًا على جميع حالات وحدة ال LTS مع أو بدون زعانف. أيضًا بالنسبة لزيادة درجة حرارة المدخل بمقدار 10 درجات مئوية، هناك تحسن بحوالي 8% في الطاقة الحرارية و9% في درجة حرارة ال PCM. هذا تقريبًا بالنسبة لكلا النتائج العددية والتجريبية. تظهر النتائج أيضًا أن إضافة الزعانف الجيبيه إلى وحدة ال LTS، بغض النظر عن ترتيبها، يؤدي إلى تحسين الأداء الحراري لـ PCM بشكل كبير. عددياً، وُجِـد أن الحالة الأمثل لترتيب الزعانف، بالنسبة للتأثير على الخصائص الحرارية لـ PCM، هي الحالة 5 والتي تتضمن أربع زعانف في الجزء السفلي من وحدة ال LTSحيث في هذه الحالة تم تقليل زمن ذوبان ال PCM الإجمالي بنسبة 65%. وفي هذه الحالة أيضًا، تم تحسين الطاقة الحرارية المكتسبة بواسطة ال PCM بحوالي 47%، 49% و51% عند درجات حرارة مدخل 60، 70 و80 درجة مئوية على التوالي. وذلك بالمقارنة مع الحالة العادية لوحدة ال LTS. تجريبيا، تم الحصول على نفس تلك التحسينات تقريبا.
من خلال مقارنة النتائج العددية مع النتائج التجريبية، وجد أن هناك توافقاً ممتازاً بينهما خصوصاً عند بداية عملية ذوبان ال PCM. يبلغ الحد الأقصى للفرق بين هذه النتائج حوالي 4.5% لكسر الكتلة السائلة عند الدقيقة 60 و4% لدرجة حرارة PCM عند الدقيقة 70 من عملية الذوبان. بالنسبة للطاقة الحرارية وزمن الذوبان الكلي، فإن الحد الأقصى للاختلاف بين النتائج العددية والتجريبية هو 4.5% عند الدقيقة 160 و4.8% على التوالي. هذا هو بالنسبة للحالة المعدلة لوحدة ال LTS.
Investigation of Fin Distribution and Arrangement on the Performance of Thermal Storage Unit
Abstract
Recently, there has been a significant trend to use renewable energies such as solar energy and others, but at the same time some of these energies are available for specific periods. For example, solar energy can only be obtained during the day and is unavailable at night and one of the most important uses of phase change materials (PCMs) is to store these energies and then use them at the suitable time. It is worth saying that most of these materials have low thermal conductivity and to improve this property, there are numerous and different techniques can be used.
In this study, four sinusoidal metal fins, with four different arrangements, are installed in the annular region of a latent heat storage (LTS) unit. The LTS unit consists of a copper tube with a 500 mm length, 23 mm internal diameter and 2 mm thickness surrounded by a transparent tube of a 74 mm internal diameter and 1 mm thickness. The fin dimensions are 20 mm long, 500 mm wide, and 2 mm thick. The annular space of the LTS unit is fully filled by the PCM (RT-42 paraffin wax).
The thermal properties (temperature, liquid mass fraction, gained thermal energy, and total melting time) of the PCM, with and without fins, are investigated numerically and experimentally. For this purpose, five main cases are conducted; case 1 represents the normal (without fins) case of the LTS unit and the other cases represent the arrangements of fins. These arrangements are a plus shape (case 2), cross shape (case 3), three fins in the bottom part and one in the upper part of the LTS unit (case 4) and four fins in the bottom part of the LTS unit (case 5). The effect of inlet temperature (three values of 60, 70 and 80 °C) of the heat transfer fluid (HTF), on the thermal performance of the PCM, is also investigated. Numerically, the investigation is done using ANSYS-Fluent software (2021 version).
The results indicate that the inlet temperature of the HTF has a clear effect on the melting process of the PCM. Where for 1 °C increase in the inlet temperature, there is a one-minute reduction in the total melting time. This is approximately for all cases of the LTS unit (with and without fins). Also, for 10 °C increase in the inlet temperature, there is an improvement of about 8% in the thermal energy and 9% in the temperature of the PCM. This is approximately for both the numerical and experimental results. The results also show that adding sinusoidal fins into the LTS unit, regardless of their arrangement, significantly improves the thermal performance of the PCM. Numerically, it is found that the optimum case of the fins arrangement for the effect on the thermal characteristics of the PCM is case 5 which involves four fins in the bottom part of the LTS unit. Where in this case, the total melting time of the PCM is reduced by 65%. Also in this case, the gained thermal energy of the PCM is improved by approximately 47%, 49% and 51% at 60, 70 and 80 °C inlet temperatures, respectively. This is by comparing to the normal case of the LTS unit. Experimentally, almost the same improvements are obtained.
By comparing the numerical results with the experimental ones, it is found that there is an excellent agreement between them especially at the beginning of the melting process of the PCM. The maximum difference between these results is about 4.5% for the liquid mass fraction at 60 min and 4% for the temperature of the PCM at 70 min of the melting process. For the thermal energy and the total melting time, the maximum differences between the numerical and experimental results are 4.5% at 160 min and 4.8%, respectively. This is for the modified case of the LTS unit.


