Till innehåll på sidan
Till KTH:s startsida

Heat Transfer Enhancement of Latent Thermal Energy Storage in Rectangular Components

Tid: On 2022-04-13 kl 09.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/61582597458

Språk: Engelska

Ämnesområde: Energiteknik

Respondent: Amir Abdi , Tillämpad termodynamik och kylteknik

Opponent: Professor Mohammed Farid, University of Auckland

Handledare: Professor Viktoria Martin, Kraft- och värmeteknologi, Tillämpad termodynamik och kylteknik; Universitets lektor Justin NingWei Chiu, Kraft- och värmeteknologi

Exportera till kalender

Abstract

Latent termisk energilagring (LTES) är ett intressant val för att lagra termisk energi i ett hållbart energisystem. Den primära fördelen med LTES är den relativt höga smältvärmen av materialet, känt som fasändringsmaterial (PCM), som används som lagringsmedium i ett sådant system. I och med att värmekonduktiviteten hos PCM ofta är mycket låg finns det ett behov av att öka värmeöverföring-hastigheten för laddnings-/urladdningsprocessen samt att förbättra LTES-systemens termiska prestanda.  Denna avhandling tar upp den förstärkande effekten av att utöka värmeöverföringsytor i rektangulära LTES-behållare. Ett nyckelbidrag i denna avhandling är en omfattande visualisering av fasförändringsprocesserna i ett organiskt PCM, inklusive frysning/stelning och smältning, både som begränsad (fastnat) smältning och obegränsad (rörande) smältning, även känt som Close-Contact Melting (CCM), i en behållare med och utan flänsar. Observationer har gjorts för flänsar av olika längd samt antal, med varierande lutningsvinkel och en omfattande analys av processerna vad gäller fasändringstid och medeleffekt genomförs. Observationerna visar att flänsar är mer effektiva vid stelning än vid smältning, vilket minskar stelningstiden med 80% och ökar medeleffekten med 395%, dock minskar den utvunna energin med 10%. Däremot har flänsar vid smältning en måttlig effekt vad gäller att förbättra processen. Den relativa förstärkningseffekten av flänsarna är högre vid begränsad smältning än vid obegränsad smältning. I ett fall med maximal förbättring uppnås en minskning på 50% av den begränsade smälttiden och en relativ förbättring av medeleffekten på 90%, samtidigt som den lagrade energin minskar med 9%. När volymfraktionen av flänsarna ökar, minskar skillnaderna i smälttid mellan den begränsade och obegränsade smältningen. En numerisk modell för stelning och begränsad smältning valideras baserat på experimenten, och en mer utförlig känslighetsanalys av flänsparametrar utförs. Den förstärkande effekten av olika parametrar på fasändringstiden och den termiska effekten analyseras och de relativt effektivare åtgärderna identifieras. Genom att analysera simuleringsdata med dimensionslösa parametrar för en kavitet orienterad horisontellt och förstärkt med vertikala flänsar, har övergripande dimensionslösa grupper för stelning och begränsad smältning erhållits. De dimensionslösa grupperna bidrar generellt till att uppnå en bättre förståelse av flänsarnas parametrar och till att underlätta LTES-designerna. Denna avhandling undersöker dessutom en ny idé om att utöka ytan genom att introducera minikanaler i LTES-värmeväxlare, som används som passager för luft som en lågt värmeledande värmeöverföringsvätska (HTF). Minikanalernas interna hydrauliska diameter och deras höga externa area-tillvolym- förhållanden skapar en potential för dubbel förbättring på både PCMsidan och HTF-sidan. En befintlig design och en konceptuell med möjlighet att lägga till flänsar på PCM-sidan, som kan tillverkas via tillverkningsmetoder extrusion respektive Additive Manufacturing (AM), har simulerats och studerats. Den termiska prestandan hos de två minikanaltyperna ger en avsevärd förbättring av medeleffekten för en PCM-värmeväxlare som arbetar med luft. Förbättringen ökar när luftflödet ökar, till priset av ett allt högre tryckfall. Angående detta identifieras ökning av antalet kanaler som en mer effektiv förbättrande åtgärd än att lägga till flänsar på PCM-sidan. Dessutom har den konceptuella designen med en större inre hydraulisk diameter och större proportioner ett lägre tryckfall än den befintliga designen, samt genomför laddning/urladdning av termisk energi i samma takt men med lägre fläkteffekt. Mer optimerade konstruktioner med minimering av tryckfall bidrar till att underlätta användning av den förbättrade luft-PCM värmeväxlaren i olika applikationer.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-309999