Kordiyerit Esaslı Seramik Malzemeden Yapılmış Termal Enerji Depolama Sisteminin Analizi

Abstract

Artan dünya nüfusu ve yaşam standartlarına bağlı olarak enerjiye olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Öte yandan, konvansiyonel enerji kaynaklarının fiyatlarının artması, kaynakların sonlu oluşu ve artan çevre bilinci, yenilenebilir enerji kaynaklarının ve enerji verimliliğinin önemini ortaya çıkarmıştır. Termal enerji depolama sistemleri; güneş enerjisi ya da atık ısı gibi kaynaklardan elde edilen ısının depo edilmesini ve ihtiyaç halinde kullanılmasını sağlamaktadır. Termal enerji depolama sistemleri; termokimyasal ısı depolama sistemleri, gizli ısı depolama sistemleri ve duyulur ısı depolama sistemleri olarak üç temel gruba ayrılmaktadırlar. Bu çalışma kapsamında termal enerji depolama sistemleri ile ilgili literatür araştırması yapılmış, sistemlerin sahip olduğu avantaj ve dezavantajlara değinilmiştir. Daha sonra, mevcut sistemlere alternatif üretmek amacıyla seramik malzeme ve havanın kullanıldığı bir depolama sistemi tasarlanmıştır. Seramik malzeme ve havanın seçilme nedeni, günümüzde sıklıkla kullanılan erimiş tuzların çalışma sıcaklıklarının çok daha üzerindeki sıcaklıklarda çalışabilmesidir. Seramik malzeme olarak kordiyerit seçilmiştir. Sistemin minimum çalışma sıcaklığı 900K, maksimum çalışma sıcaklığı 1200K olarak planlanmış ve çalışmalar bu değerlere göre yapılmıştır. Depolama tankının giriş çapının tank çapına oranının, tank yüksekliğinin tank çapına oranının, tank içerisindeki akış kanallarının büyüklüğünün, yani ortam porozitesinin depo edilen enerjiye olan etkisi araştırılmıştır. Çalışmaların CFD analizleri yapılmıştır ve elde edilen değerler şekil ve çizelgeler halinde sunulmuştur. Yapılan analizler göstermiştir ki tank giriş çapının depo edilen enerjiye etkisi ihmal edilebilir boyuttadır. Ancak ortam porozitesinin değişimi, depo edilen enerjiyi büyük oranda etkilemektedir. Akışın gerçekleştiği kanalların küçültülmesi, hem akış çizgilerini olumlu yönde etkilemiştir, hem de yüzey alanının artmasını sağlamıştır. Bu sayede sistemin enerji depolama kabiliyetinin arttığı sonucuna varılmıştır.

Increasing world population and life standards increase energy demand day by day. The increase in the cost of conventional energy sources, limited resources, and increasing environmental consciousness reveal the importance of renewable energy sources and energy efficiency. There are three main types of thermal energy storage systems, sensible heat, latent heat, and thermochemical heat storage systems. In this study, a new high temperature thermal storage system employing cordierite type ceramic heat storage medium was introduced and, and air is selected as heat transfer fluid. The reason of employing ceramic material and air is that the maximum temperature achievable in this case is much higher than that for the molten salt storage system. Density, specific heat, and thermal conductivity of cordierite are 2600kg/m3, 1465 J/kg•K, 3W/m•K, respectively. In a system made of cordierite material, the operating temperature can be up to 1650K. These characteristics make cordierite a good material for sensible thermal energy storage applications. Minimum and maximum operating temperatures of the storage system were considered as 900K and 1200K, respectively. CFD analyses were performed with these design parameters. In this study, the proper dimensions of the system were investigated by analyzing the effect of height-to-diameter ratio as well as inlet-to-outer diameter by means of CFD analyses. The results of these CFD studies showed that the effect of inlet diameter of thermal storage tank was negligible. Inlet diameter slightly effects flow lines in the tank, but the other parameters have stronger effect than that for the inlet diameter. Porosity of the medium effects flow lines too much. If the porosity increases, fluid can flow reverse direction in the tank, and the velocity difference between the channels can be higher. Therefore, central channels get hot and outer ones cannot get hot as well as central ones. Moreover, decreasing porosity supply more surface area, this increases heat transfer between cordierite and air. For these reasons, higher porosity means less storage efficiency.